高分子材料的性能特点
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材 料 名 称 比 重
8.0
拉伸强度（MPa）
1280
比强度
160
高级合金钢
铝合金
铸铁 聚乙烯
2.8
7.4 0.95
420
240 30
160
32 31.6
尼龙66
玻璃增强尼龙66 环氧玻璃钢
1.12
1.3～1.5 1.73
83
98～218 500
74.1
143 280
玻璃增强聚乙烯
1.1
63
57.3
2.3 高分子材料的物化性能特点
高绝缘性；
聚合物高电阻率
可能积累大量静电荷
低耐热性；通用高分子材料的耐热温度 < 200℃
低导热性：金属的1/500-1/600
高热膨胀性：比金属大3-10倍
高化学稳定性；
2.3 高分子材料的性能特点
较易老化。
高分子材料在贮存、使用过程中，由于自身结构， 或受光，热，氧，机械力、生物侵蚀等影响，性能 逐渐变坏，直至丧失使用价值的现象。
形变量一般～500%，可达1000%。普通金属材料的形 变量＜1％
2.2 高分子材料的力学性能
温度升高，ຫໍສະໝຸດ Baidu性模量增大 ；
温度，链段运动加剧，回缩力，维持相同形变所需 的作用力 抵抗变形的能力升高。
高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性
高弹形变时分子运动需要时间
形变过程有明显的热效应
防止老化措施：
改变自身结构；
加入防老化剂；
表面处理：镀金属或涂抗老化涂料。
作业：
一、名词术语解释 1、结晶度 2、玻璃化转变温度（Tg） 3、粘流温度（Tf） 4、应变 5、蠕变 二、简答 1、高弹性为什么又称为熵弹性？ 2、简要阐述聚合物的粘弹性。 3、描述高分子材料的软硬、强弱和韧脆的指标分别是什么？ 4、请说明非晶态聚合物力学三态的运动单元。 三、论述题 1、画出塑料材料的应力应变曲线，并对其进行描述？ 2、高分子材料的使用温度同玻璃化转变温度有什么关系？
T>Tg 时高聚物处于高弹态（弹性体） T<Tg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）
Tg是决定材料使用范围的重要参数：
Tg 是橡胶的最低使用温度
Tg 是塑料的最高使用温度
2.2 高分子材料的力学性能
表征材料力学性能的基本指标
应力-应变
弹性模量 - 拉伸（杨氏）模量 剪切（刚性）模量 体积（本体）模量 硬度
2.2 高分子材料的力学性能
高分子材料的力学性能特点
强度低，比强度高; 高弹性，弹性模量低;
橡胶 — 典型的高弹性材料：弹性变形率为100%～1000%
高耐磨性； 具有粘弹性
弹性模量仅为～1MPa
塑料的摩擦系数小，有些塑料具有自润滑性能。
2.2 高分子材料的力学性能
表2.1 几种材料的机械强度
Y N A D B
Breaking point 断裂点
B Y A
plastic deformation 塑性形变
Strain hardening 应变硬化
D A E D A
O
A y
B
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）
2.2 高分子材料的力学性能
2.2 高分子材料的力学性能
机械强度 - 拉伸（抗张）强度
弯曲强度
冲击强度
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变
应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时其
几何形状和尺寸所发生的变化。
材料
外力作 用
发生形变
材料欲保持原 状
产生附加内力
外力卸载
内力使形变回复并自行逐步消除
应力：单位面积上的内力。
2.2 高分子材料的力学性能
分子运动特点之一：时间依赖性
物质从一种平衡状态
外场作用下 通过分子运动
与外界条件相适 应的另一种平衡状态 各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能 瞬时完成。
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
高分子是松弛过程 运动单元多重性： 键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链 需要时间
标准哑 铃型试 样
实验条件：一定拉伸速率和温度
电子万能材料试验机
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
2.2 高分子材料的力学性能
Point of elastic limit 弹性极限点
Yielding point 屈服点 Strain softening 应变软化
2.1 高分子材料的力学状态
Tg 玻璃态
T<T
g
Tf
Td
（1）分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动。 （2）力学特征：形变量小(0.01 ～ 1%)，模量高(109 ～ 1010 Pa)。
形变与时间无关，呈普弹性。
（3）常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料。
高弹态
Tg ～Tf
（1）分子运动机制：链段“解冻”，可以运动 形变量大，100-1000﹪ （2）力学特征： 模量小，105-107Pa 形变可逆，一个松弛过程 （3）常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料。
具有非晶态；
结晶具有不完善性。
2.1 高分子材料的力学状态
线型无定形聚合物的力学三态及其转变
热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意 等速升温
2.1 高分子材料的力学状态
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg ）； 高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（Tf）
序号 类型 曲线 模量 拉伸强度 断裂伸长率 高 中 小 高 高 中 高 高 大 低 中 很大 低 低 中 1 硬而脆 2 硬而强 3 强而韧 4 软而韧 5 软而弱
断裂能
实例
小
PS PMMA 酚醛树脂
中
硬PVC 增韧EP
大
PC ABS HDPE
大
硫化橡胶 软PVC
小
未硫化橡胶 齐聚物
软~硬：模量
强~弱：拉伸强度
韧~脆：断裂能
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性
高弹态聚合物最重要的力学 性能
聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特 的力学性质，又称橡胶弹性。 高弹性的特点：
弹性模量小；
橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa
形变量很大；
随时间延长而减小。
滞后 力学损耗（内耗）
自学
图2.6 蠕变、应力松弛示意图.
2.2 高分子材料的力学性能
蠕变过程包括 三种形变
普弹形变ε1 运动单元：键长、键角 形变特点：形变量小，与时间无关，形变 可完全回复 高弹形变ε2 运动单元：链段 形变特点：形变量大，与时间有关，可逐 t 渐回复 粘性流动ε3
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
Tg
粘流态
Tf
Tf ～ Td
Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移 （2）力学特征：形变量很大（流动） 形变不可逆
模量极小
（3）Tf与摩尔平均质量有关
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物的力学三态及其转变
结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 轻度结晶聚合物
材料受力方式的基本类型
F
A0
A
A0
F
l0 Dl
l
F
F
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
2.2 高分子材料的力学性能
F
A0
F
一点弯曲 均匀压缩 体积形变 压缩应变
三点弯曲
F F
扭转
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线
Stress-strain curve
弹性体：拉伸——放热
回缩——吸热
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性的本质
熵弹性 高弹性由熵变引起
拉伸弹性体时外力所做的功 主要转为高分子链构象熵的减小 体系为热力学不稳定状态 去除外力体系回复到初始状态 热力学第一定 律 热力学第二定 律
2.2 高分子材料的力学性能
粘弹性
聚合物最重要的力学性能 之一
2.1 高分子材料的力学状态
物质的物理状态 相 态 凝胶态 凝胶态
热力学概念 动力学概念
力学状态 根据物质对外场（外部作用）特别是外力场
的响应特性划分。
按物质力学性能随温度变化的特性划分。
2.1 高分子材料的力学状态
气态 物质的力学三态 液态 固态
温度增加
聚合物力学状态具有特殊性。原因： 没有气态；
2.1 高分子材料的力学状态
问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？
Cross-linked 交联
Network（3D） 网状
答案：不出现粘流态。
2.1 高分子材料的力学状态
玻璃化转变现象及Tg的重要性
自由体积理论 玻璃化转变是高聚物的一种普遍现象。
发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能：
晶区起交联点作用。温度，非晶区进入高弹态， 整个材料具有韧性和强度。
结晶度>40%
晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的
非晶区玻璃化转变现象。
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩
尔平均质量。
不呈现高弹态
呈现高弹态
图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线
2+3
1 2 3
1
图2-6 线形非晶态聚合物 的蠕变及回复曲线
运动单元：分子链 形变特点：不可逆形变
2.2 高分子材料的力学性能
蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力。 提高材料抗蠕变性能的途径:
a. 聚合物玻璃化温度高于室温；
b. 聚合物分子链含有苯环等刚性链； c.交联:可以防止分子间的相对滑移。
外力作用时，同时发生高弹变形和粘性流动。
Figure 2.5 Various types of strain response to an imposed stress.
2.2 高分子材料的力学性能
F
蠕变 ：温度、应力一定，随时
间的延长形变增加。
力学松弛 行为
静态粘弹性
聚合物粘弹性
动态粘弹性
应力松弛 ：温度、形变一定，应力
8.0
拉伸强度（MPa）
1280
比强度
160
高级合金钢
铝合金
铸铁 聚乙烯
2.8
7.4 0.95
420
240 30
160
32 31.6
尼龙66
玻璃增强尼龙66 环氧玻璃钢
1.12
1.3～1.5 1.73
83
98～218 500
74.1
143 280
玻璃增强聚乙烯
1.1
63
57.3
2.3 高分子材料的物化性能特点
高绝缘性；
聚合物高电阻率
可能积累大量静电荷
低耐热性；通用高分子材料的耐热温度 < 200℃
低导热性：金属的1/500-1/600
高热膨胀性：比金属大3-10倍
高化学稳定性；
2.3 高分子材料的性能特点
较易老化。
高分子材料在贮存、使用过程中，由于自身结构， 或受光，热，氧，机械力、生物侵蚀等影响，性能 逐渐变坏，直至丧失使用价值的现象。
形变量一般～500%，可达1000%。普通金属材料的形 变量＜1％
2.2 高分子材料的力学性能
温度升高，ຫໍສະໝຸດ Baidu性模量增大 ；
温度，链段运动加剧，回缩力，维持相同形变所需 的作用力 抵抗变形的能力升高。
高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性
高弹形变时分子运动需要时间
形变过程有明显的热效应
防止老化措施：
改变自身结构；
加入防老化剂；
表面处理：镀金属或涂抗老化涂料。
作业：
一、名词术语解释 1、结晶度 2、玻璃化转变温度（Tg） 3、粘流温度（Tf） 4、应变 5、蠕变 二、简答 1、高弹性为什么又称为熵弹性？ 2、简要阐述聚合物的粘弹性。 3、描述高分子材料的软硬、强弱和韧脆的指标分别是什么？ 4、请说明非晶态聚合物力学三态的运动单元。 三、论述题 1、画出塑料材料的应力应变曲线，并对其进行描述？ 2、高分子材料的使用温度同玻璃化转变温度有什么关系？
T>Tg 时高聚物处于高弹态（弹性体） T<Tg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）
Tg是决定材料使用范围的重要参数：
Tg 是橡胶的最低使用温度
Tg 是塑料的最高使用温度
2.2 高分子材料的力学性能
表征材料力学性能的基本指标
应力-应变
弹性模量 - 拉伸（杨氏）模量 剪切（刚性）模量 体积（本体）模量 硬度
2.2 高分子材料的力学性能
高分子材料的力学性能特点
强度低，比强度高; 高弹性，弹性模量低;
橡胶 — 典型的高弹性材料：弹性变形率为100%～1000%
高耐磨性； 具有粘弹性
弹性模量仅为～1MPa
塑料的摩擦系数小，有些塑料具有自润滑性能。
2.2 高分子材料的力学性能
表2.1 几种材料的机械强度
Y N A D B
Breaking point 断裂点
B Y A
plastic deformation 塑性形变
Strain hardening 应变硬化
D A E D A
O
A y
B
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）
2.2 高分子材料的力学性能
2.2 高分子材料的力学性能
机械强度 - 拉伸（抗张）强度
弯曲强度
冲击强度
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变
应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时其
几何形状和尺寸所发生的变化。
材料
外力作 用
发生形变
材料欲保持原 状
产生附加内力
外力卸载
内力使形变回复并自行逐步消除
应力：单位面积上的内力。
2.2 高分子材料的力学性能
分子运动特点之一：时间依赖性
物质从一种平衡状态
外场作用下 通过分子运动
与外界条件相适 应的另一种平衡状态 各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能 瞬时完成。
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
高分子是松弛过程 运动单元多重性： 键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链 需要时间
标准哑 铃型试 样
实验条件：一定拉伸速率和温度
电子万能材料试验机
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
2.2 高分子材料的力学性能
Point of elastic limit 弹性极限点
Yielding point 屈服点 Strain softening 应变软化
2.1 高分子材料的力学状态
Tg 玻璃态
T<T
g
Tf
Td
（1）分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动。 （2）力学特征：形变量小(0.01 ～ 1%)，模量高(109 ～ 1010 Pa)。
形变与时间无关，呈普弹性。
（3）常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料。
高弹态
Tg ～Tf
（1）分子运动机制：链段“解冻”，可以运动 形变量大，100-1000﹪ （2）力学特征： 模量小，105-107Pa 形变可逆，一个松弛过程 （3）常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料。
具有非晶态；
结晶具有不完善性。
2.1 高分子材料的力学状态
线型无定形聚合物的力学三态及其转变
热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意 等速升温
2.1 高分子材料的力学状态
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg ）； 高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（Tf）
序号 类型 曲线 模量 拉伸强度 断裂伸长率 高 中 小 高 高 中 高 高 大 低 中 很大 低 低 中 1 硬而脆 2 硬而强 3 强而韧 4 软而韧 5 软而弱
断裂能
实例
小
PS PMMA 酚醛树脂
中
硬PVC 增韧EP
大
PC ABS HDPE
大
硫化橡胶 软PVC
小
未硫化橡胶 齐聚物
软~硬：模量
强~弱：拉伸强度
韧~脆：断裂能
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性
高弹态聚合物最重要的力学 性能
聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特 的力学性质，又称橡胶弹性。 高弹性的特点：
弹性模量小；
橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa
形变量很大；
随时间延长而减小。
滞后 力学损耗（内耗）
自学
图2.6 蠕变、应力松弛示意图.
2.2 高分子材料的力学性能
蠕变过程包括 三种形变
普弹形变ε1 运动单元：键长、键角 形变特点：形变量小，与时间无关，形变 可完全回复 高弹形变ε2 运动单元：链段 形变特点：形变量大，与时间有关，可逐 t 渐回复 粘性流动ε3
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
Tg
粘流态
Tf
Tf ～ Td
Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移 （2）力学特征：形变量很大（流动） 形变不可逆
模量极小
（3）Tf与摩尔平均质量有关
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物的力学三态及其转变
结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 轻度结晶聚合物
材料受力方式的基本类型
F
A0
A
A0
F
l0 Dl
l
F
F
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
2.2 高分子材料的力学性能
F
A0
F
一点弯曲 均匀压缩 体积形变 压缩应变
三点弯曲
F F
扭转
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线
Stress-strain curve
弹性体：拉伸——放热
回缩——吸热
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性的本质
熵弹性 高弹性由熵变引起
拉伸弹性体时外力所做的功 主要转为高分子链构象熵的减小 体系为热力学不稳定状态 去除外力体系回复到初始状态 热力学第一定 律 热力学第二定 律
2.2 高分子材料的力学性能
粘弹性
聚合物最重要的力学性能 之一
2.1 高分子材料的力学状态
物质的物理状态 相 态 凝胶态 凝胶态
热力学概念 动力学概念
力学状态 根据物质对外场（外部作用）特别是外力场
的响应特性划分。
按物质力学性能随温度变化的特性划分。
2.1 高分子材料的力学状态
气态 物质的力学三态 液态 固态
温度增加
聚合物力学状态具有特殊性。原因： 没有气态；
2.1 高分子材料的力学状态
问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？
Cross-linked 交联
Network（3D） 网状
答案：不出现粘流态。
2.1 高分子材料的力学状态
玻璃化转变现象及Tg的重要性
自由体积理论 玻璃化转变是高聚物的一种普遍现象。
发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能：
晶区起交联点作用。温度，非晶区进入高弹态， 整个材料具有韧性和强度。
结晶度>40%
晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的
非晶区玻璃化转变现象。
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩
尔平均质量。
不呈现高弹态
呈现高弹态
图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线
2+3
1 2 3
1
图2-6 线形非晶态聚合物 的蠕变及回复曲线
运动单元：分子链 形变特点：不可逆形变
2.2 高分子材料的力学性能
蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力。 提高材料抗蠕变性能的途径:
a. 聚合物玻璃化温度高于室温；
b. 聚合物分子链含有苯环等刚性链； c.交联:可以防止分子间的相对滑移。
外力作用时，同时发生高弹变形和粘性流动。
Figure 2.5 Various types of strain response to an imposed stress.
2.2 高分子材料的力学性能
F
蠕变 ：温度、应力一定，随时
间的延长形变增加。
力学松弛 行为
静态粘弹性
聚合物粘弹性
动态粘弹性
应力松弛 ：温度、形变一定，应力