高分子科学基础-高分子材料力学性能

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1、§2高分子的力学性能研究目的：•求得高分子各种力学性能的宏观描述和测试合理化，以作为高分子材料和制品设计的依据；•寻求高分子宏观力学性能和各个层次微观结构的相互关系，用于了解具有特定性能材料的制备和高分子制品的加工成型。研究内容：玻璃态、结晶态屈服、破坏、强度高弹态高弹性力学松弛粘弹性一、玻璃态和结晶态聚合物的力学性能1.形变类型和描述力学行为的基本物理量外力材料内在微观分子运动外在宏观力学性质（形变、应力、模量）应变：外力作用下材料的几何形状和尺寸的变化应力:外力改变材料内部各个原子之间的相对位置和距离，

2、原子力图恢复原来的状态而产生内力，单位面积上的内力为（内）应力。平衡状态下内、外力大小相等，方向相反（弹簧的弹性回复力＝拉力）模量：引起单位应变所需的应力，表示材料刚硬度。模量的倒数为柔量，材料容易形变程度的表征。●外力作用的基本方式①简单剪切：形状改变、体积不变外力与截面相平行，大小相等，方向相反剪切力σ=F/A切应变γ=tanθ剪切模量G=σ/γ剪切柔量J=γ/σ②本体压缩/膨胀：体积改变、形状不变围压力P压缩应变＝V/V0本体模量B＝PV0/V可压缩度：V/PV0③简单拉伸/压缩：纵向伸长、横

3、向收缩小形变真实形变拉伸应力σ=F/A0σ’=F/A拉伸应变ε=L/L0ε’=ln(L/L0)杨氏模量E=σ/ε拉伸柔量D=ε/σ对于各向同性材料，3种模量之间有关系：E＝2G(1+υ)＝3B(1－2υ)υ：泊松比拉伸实验中，材料横向单位宽度的减小与纵向单位长度的增加之比υ＝横向应变/纵向应变＝ε横向/ε纵向理想体积不可压缩的弹性体：υ＝0.5多数材料拉伸时体积膨胀：υ＝0.2－0.52.表征材料力学性能的常用指标●机械强度——材料抵抗外力破坏的能力①拉伸强度（抗张强度）σt=P/bd（P:标准试样轴向拉

4、伸断裂前承受的最大载荷)②弯曲强度（挠曲强度）σf=1.5(PL0/bd2)ΔΔ（P:标准试样弯曲断裂前承受的最大载荷)③冲击强度σi=W/bd(W:标准试样受冲击断折时所吸收的能量)3.应力－应变特性①线型非晶聚合物的应力－应变曲线a.T≤Tbb.T>Tbc.TTgσy屈服应力σb断裂应力0－A：应力应变成正比，除去外力试样立即恢复原状。直线斜率杨氏模量；断裂：脆性断裂屈服点A：屈服强度。材料在该点前后分别呈现弹性行为和塑性行为。A－B：应变软化段，应变增加，应力反而下降。B－C：应变发展

5、区C－D：取向硬化段，应力急剧增大断裂点D：抗张强度/断裂伸长率；断裂：韧性断裂线型非晶聚合物在大外力作用下发生的大形变称作强迫高弹形变，它是塑料具有韧性的原因。强迫高弹形变是一松弛过程，施加外力可加速松弛的进行。线型非晶聚合物只有处在Tb~Tg之间的温度范围内，才能在外力作用下实现强迫高弹性。②晶态聚合物的应力－应变曲线线型非晶聚合物与晶态聚合物的拉伸行为比较相同之处：均经历弹性变形、屈服、发展大形变、应变硬化阶段大形变本质相同：均为强迫高弹形变。断裂前大形变在室温下均不能自发回复，加热后都能回复原状。（

6、分子链段因大外力的作用发生运动而引起的大形变称作“冷拉”）不同之处：产生强迫高弹形变的温度不同，拉伸中聚集态结构变化不同：非晶态：Tb~Tg之间，结构变化只发生分子链取向，不发生相变结晶：Tg~Tm之间，结构变化还包含结晶的破坏、取向和再结晶等过程聚合物的应力—应变曲线的五种类型曲线下面积表示韧性强度——使材料破裂所需的能量硬强脆形变难易(模量大小)；断裂强度高低;断裂伸长大小软弱韧类型形变产生屈服现象σε实例软而弱易有低中凝胶，低分子量树脂软而韧易有中大橡胶，软PVC，LDPE硬而脆难无中小PS，PMMA

7、硬而强难有高中硬PVC硬而韧难有高大尼龙，PC3.影响聚合物实际强度的因素①高分子的化学结构——增加极性或产生氢键，强度↑PE——主链芳香杂环聚合物强度、模量>脂肪族者芳香尼龙>脂肪尼龙——适量交联，强度↑；过度交联，脆性断裂——随分子量↑，强度↑，分子量到一定程度，拉伸强度不变，冲击强度继续↑②应力集中物材料内部缺陷：裂缝、空隙、缺口、银纹、杂质等③增塑剂加入增塑剂，抗张强度↓（减少

8、了链间作用力）冲击强度↑（使链段运动能力↑）④填料（填料本身强度；填料与聚合物分子间的亲和力）惰性填料：使强度↓，材料成本降低活性填料，使强度↑，复合增强作用⑤外力作用速率拉伸速度↑，屈服强度↑拉伸速度↓，屈服强度、断裂强度↓二、高弹性聚合物的力学性质1.高弹态的特点高分子一般金属材料①高可逆弹性形变（最高1000％）小于1％②低弹性模量（一般105N/m2）1010-11N/m2③弹性模量与温度成正比随温度增加