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1、2、高分子材料的性能特点,聚合物的聚集态 (凝聚态)结构, 高分子链之间的几何排列结构。, 强烈依赖于材料加工成型过程。, 影响材料使用性能的直接因素。,2.1 聚合物的非晶态与晶态概述,超分子结构,非晶态 晶态 液晶态 取向态, 非晶态（无定形）, 高分子链各自伸展，无规排列；, 高分子链之间互相缠绕，如纠 缠在一起无规线团,Amorphous(random entanglement),2.1 聚合物的非晶态与晶态概述, 晶态, 高分子链之间有序排列；, 聚合物晶体具有不完善性，常用结晶度来衡量。,聚乙烯形成的 正斜方晶结构模型, 缨状胶束（两相结构模型）、折叠链模型、 隧道-折叠链模型、插
2、线板模型 - 迄今还没有一个模型能用来描述所有高分子在结晶 过程中的分子链行为。,2.1 聚合物的非晶态与晶态概述, 缨状胶束模型简介,Figure2.1 Fringed-micelle model of a semicrystalline polymer, showing both crysalline and amorphous regions.,晶区与非晶区互相穿插，同时存在,晶区尺寸很小，且无规取向,2.1 聚合物的非晶态与晶态概述,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a
3、trademark used herein under license.,Figure 2.2 The folded chain ,model for crystallinity in polymers, shown in (a) two dimensions and (b) three dimensions., 折叠链模型简介,聚合物结晶中，分子链束或分子链以折叠的带状形式堆砌起来。,一条分子链束或分子链可以在一个晶片中折叠后再进入另一个晶片中折叠。,2.1 聚合物的非晶态与晶态概述, 结晶对高聚物性能的影响, 结晶提高聚合物 密度 硬度 耐热性 拉伸强度, 结晶降低聚合物 溶解性 透气性
4、韧性 透明性,链间规整排列， 减少了空隙,2.1 聚合物的非晶态与晶态概述,表2-1 两种聚乙烯*性能比较,* LDPE 低密度聚乙烯（支链）；HDPE高密度聚乙烯（线型）,HDPE,LDPE,2.1 聚合物的非晶态与晶态概述,表2-1 两种聚乙烯*性能比较,2.2 高分子材料的力学状态, 物质的物理状态,相 态,凝聚态,热力学概念,动力学概念,凝聚态, 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。,力学状态,2.2 高分子材料的力学状态, 物质的力学三态,气态 液态 固态,温度增加, 聚合物力学状态具有特殊性: 没有气态； 具有非晶态； 结
5、晶具有不完善性。,图2.3 热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意图,2.2 高分子材料的力学状态,等速升温, 线型无定形聚合物的力学三态及其转变,2.2 高分子材料的力学状态, 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）,图2.4 线型无定形高聚物热机械曲线,玻璃态,T40% 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。,提高, 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。,是否观察到高弹态，取决于Tm与Tf的关系,非结晶区的Tf与聚合物的摩尔平均质量
6、有关，摩尔平均质量高， Tf高。,若Tf Tm，结晶区熔解后，非晶区仍处于高弹态，所以可观察到高弹态。,若Tf Tg 时高聚物处于高弹态（弹性体） TTg 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, 表征材料力学性能的基本指标,2.3 高分子材料的力学性能, 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, 机械强度 - 拉伸（抗张）强度 弯曲强度 冲击强度, 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 发生形变 产生
7、附加内力 内力使形变回复并自行逐步消除,2.3 高分子材料的力学性能, 应力：单位面积上的内力。,外力作用,材料欲保持原状,外力卸载,简单拉伸示意图,A0,l0,l,D l,A,F,F,A0,F,F,简单剪切示意图, 材料受力方式的基本类型,2.3 高分子材料的力学性能,A0,F,F,三点弯曲,一点弯曲,扭转,均匀压缩,2.3 高分子材料的力学性能,电子万能材料试验机,实验条件：一定拉伸速率和温度,2.3 高分子材料的力学性能, 应力-应变曲线 Stress-strain curve,标准哑铃型试样,图2.6 高分子材料三种典型的应力-应变曲线,2.3 高分子材料的力学性能,脆性断裂,韧性断裂
8、,A,Y,B,Yielding point 屈服点,Point of elastic limit 弹性极限点,Breaking point 断裂点,Strain softening 应变软化,plastic deformation塑性形变,Strain hardening 应变硬化,y,O,N,D,图2.7 玻璃态聚合物的应力-应变曲线,2.3 高分子材料的力学性能,软硬：模量,强弱：拉伸强度,韧脆：断裂能,2.3 高分子材料的力学性能, 高弹性, 高弹性的特点：,2.3 高分子材料的力学性能,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。,高弹态聚合物最重要的力学性
9、能, 弹性模量小；,橡胶: 0.2-8 MPa钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa,形变量一般500%，可达1000%。, 形变量很大；,普通金属材料的形变量 1.,2.3 高分子材料的力学性能, 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,弹性体：拉伸放热 回缩吸热,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。, 温度升高，弹性模量增大 ；,链段运动从无序到有序，熵减少； 分子间内摩擦；分子间规整排列或可形成结晶, 高弹性的本质,2.3 高分子材料的力学性能,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-弹性回缩力,
