《高分子材料性能及测试讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高分子材料性能及测试讲解（132页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、高分子材料性能学及 测试 高分子材料性能学 2 一、材料分类 金属材料 无机非金属材料 高分子材料 复合材料 绪 论 高分子材料性能学 3 1.塑料 热固性塑料 (酚醛、脲醛等) 热塑性塑料 (PE,PP,PVC,PS,PMMA等) 塑料的弹性模量介于橡胶和纤维 之间，约107108Pa；受力形变 可达百分之几至几百。 高分子材料性能学 4 2.橡胶： 天然橡胶 (聚异戊二烯) 合成橡胶 ( 顺丁,丁苯,丁腈, 氯丁橡胶) 室温弹性高；形变大（可达1000%），外力去除后，能 迅速恢复原状；弹性模量小，约105104Pa。 高分子材料性能学 5 3.纤维 聚酯纤维(涤纶，如PET) 聚酰胺纤维
2、（如尼龙，锦纶） 腈纶(PAN) 丙纶(PP) 维纶（PVA） 弹性模量较大，约1091010Pa。 形变小，机械性能随温度变化不大 高分子材料性能学 6 二、 材料的四要素 成分/结构、制备/工艺、性质和使用性能 成分/结构、制备/工艺 决定固有性质 性质决定使用性能 使用性能决定材料 的用途 高分子材料性能学 7 高分子科学各课程间的联系 成分/结构、制备高分子化学 聚合反应工程 加工工艺、成型 高分子成型与加工 结构与性能关系高分子物理 材料的使用性能 高分子材料性能学 材料的分类与应用 高分子材料 理论 和物质 基础 实用 价值 实际 应用 高分子材料性能学 8 三、材料性能的概念 1
3、.材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或 表现 2.表征材料响应行为发生程度的参数，即性能 指标（如模量、强度等） 高分子材料性能学 9 力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度 耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性 性能划分 物理性能：热学、磁学、电学、光学 四、材料性能的划分 高分子材料性能学 10 力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境 联合作用下所表现的行为变形和断裂。即材料 抵抗外载引起变形和断裂的能力。 力学性能 力学性能表征 材料软硬程度 变形能力弹性、塑性 材料脆性 硬度 韧性 材料抵抗外力能力 强度 高分子材料性能学 11 高分子材料性能学 12 五、材料性能的四个方面
4、宏观表征：表征材料性能的参数，如强度、硬度 微观本质：材料的性能是材料内部结构因素在一定 外界作用下的综合反映 影响因素：内因（材料结构），外因（温度等） 性能测试：测试原理、设备、方法 高分子材料性能学 13 六、高分子材料性能学的主要内容 高分子材料的常规力学性能 （6课时） 高分子材料的高弹性与粘弹性 （5课时） 高分子材料的断裂 （5课时） 高分子材料的力学强度 （5课时） 高分子材料的疲劳性能 （3课时） 高分子材料的磨损性能 （3课时） 高分子材料的热、电、磁、光学性能 （15课时） 高分子材料的老化性能 （4课时） 高分子材料性能学 14 七、本课程的主要学习任务 1.掌握高分子
5、材料各种主要性能的宏观规律、物理 本质和工程意义 2.了解影响高分子材料性能的主要因素 3.掌握改善或提高高分子材料性能指标主要途径 4.了解高分子材料性能测试的原理、方法及相关仪 器设备 5.初步具备选用高分子材料、开发新型高分子材料 的必备基础知识与基本技能 高分子材料性能学 15 八、本课程的学习方法 预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、 高分子物理 学习方法：性能的基本概念物理本质 影响因素性能指标的工程意义 指标的测试与评价 理论联系实际、重视实验 高分子材料性能学 16 八、参考书目 1.材料性能学王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年 2.材料性能学张帆等主编，上海交通大
6、学出版社，2009年 3.高分子物理何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年 4.高分子物理金日光等主编，化学工业出版社，2007年 5.高聚物的力学性能何平笙编著，中国科学技术大学出版社 ，2008年 6.高分子材料强度及破坏行为傅政编，化学工业出版社， 2005年 7.高分子材料强度学朱锡熊等编，浙江大学出版社，1992 年 8.高分子概论代丽君等主编，化学工业出版社，2006年 9.高分子材料概论吴奇晔等编，机械工业出版社，2004年 10. 近代高分子科学张邦华等编，化学工业出版社，2006年 高分子材料性能学 17 第1章 高分子材料的常规力学性能 高分子材料性能学 18 力学性能：
7、高分子材料抵抗变形和断裂的能力 弹性:材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力 塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力 强度:是材料对变形和断裂的抗力 寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效 的能力 失效：材料在载荷与环境作用下服役，无法抵抗变形和断裂， 失去其预定的效能而损坏。 常见的三大失效形式：磨损、腐蚀、断裂 高分子材料性能学 19 1.1 力学性能的基本指标 1.1.1 应力与应变 当材料受到外力作用，它所处的条件又不能产生 惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变 化就称为应变，亦可称为形变。 定义单位面积上的附加内力为应力。 高分子材料性能学
8、 20 （1）简单拉伸 外力F是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作 用于同一直线上的两个力. 拉伸应变： 拉伸应力： A0 l0 l l A F F 高分子材料性能学 21 真应力-真应变 真应力： 真应变: 证明？ 真应力-应变曲线 工程应力-应变曲线 高分子材料性能学 22 （2）简单切变 材料受到的力F是与截面相平行、大小相等、方 向相反的两个力。这时材料将发生偏斜，偏斜角的 正切值定义为切应变 剪切应变： 剪切应力： A0 F F 高分子材料性能学 23 （3）均匀压缩 材料受到的是围压力（流体静压力）P。发生体积形 变，体积由V0缩小至V。 压缩应变： A0 高分子材料性能学 24
9、 1.1.2 弹性模量 单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。模量 的倒数称为柔量，是材料容易形变程度的一种表征。 拉伸模量（杨氏模量）E： 剪切模量（刚性模量）G： 压缩模量（本体模量）K： 高分子材料性能学 25 泊松比 材料在拉伸时，不仅有轴向伸长，同时有横向收缩 。横向应变对轴向应变之比称为泊松比，以 表示 可以证明没有体积变化时，0.5，橡胶拉伸时 就是这种情况。其他材料拉伸时，0.5. 高分子材料性能学 26 与E和G之间有如下关系式：E = 2G(1+ ) 因为00.5，所以2GG， 即拉伸比剪切困难. 这是因为在拉伸时高分子链要断键，需要 较大的力；剪切时是层间错动，较容易
10、实现。 高分子材料性能学 27 单轴取向高分子材料 2个杨氏模量： El为纵向杨氏模量 Et为横向杨氏模量 2个切变模量： Gtt为横向切变模量 Glt为纵向切变模量 1个本体模量K 2个泊松比： 对纵向力为Vtt 对横向力为Vtl 高分子材料性能学 28 双轴取向高分子材料 5个独立的弹性模量： Ep为面向杨氏模量 Et为侧向杨氏模量 Gp为面向切变模量 Gt为侧向切变模量。 2个泊松比： 对面向力为Vpt 对侧向力为Vtp 高分子材料性能学 29 1.2 高分子材料的分子运动和力学状态转变 1.2.1 高分子材料的分子运动特点 （1）运动单元和模式的多重性 （2）分子运动的时间依赖性 （3
11、）分子运动的温度依赖性 高分子材料性能学 30 1.2.2 高分子材料的力学状态及转变 线型非晶态高聚物的形变-温度曲线 ABCD E TbTgTfT/ 形变% A-玻璃态 B-过渡区 C-高弹态 D-过渡区 E-黏流态 Tb-脆化温度；Tg-玻璃化温度；Tf-黏流温度 高分子材料性能学 31 线型非晶态高聚物的三种物理状态的对比 三种物理 状态 运动单元力学行为特征应用 玻璃态 TbTg 键长、键角 基团 形变小，并且形变可逆， 属于普弹性能。结构类似 玻璃，弹性模量大。 塑料、纤维 高弹态 TgTf 链段形变大，形变可逆，弹性 模量较小。 橡胶 黏流态 TfTd 链段、大分 子链 形变为不
12、可逆，属于永久 形变，无强度。流动取决 于相对分子质量大小。 成型加工、油漆 、黏合剂 高分子材料性能学 32 结晶态高聚物的形变-温度曲线 1 2 形变% TgTmTfT/ 1-相对分子质量较小 2-相对分子质量很大 Tg T Tf 粘流态 高分子材料性能学 33 交联高聚物的温度-形变曲线 T 交联度增加 l 交联度较小时：有Tg ，根据环境温度高或低于Tg ，可判断材料处于高弹态或玻璃态。 l交联度大时：链段运动困难，玻璃化转变难以发 生，材料始终处于玻璃态 高分子材料性能学 34 1.3 高分子材料的拉伸行为 哑铃状试件 L0=5.65A01/2 或11.3A0 1/2 高分子材料性能
13、学 35 y -屈服点 e-弹性极限点 冷拉 应变软化 应变硬化 e b y e b y p-比例极限 p p b -断裂点 p-比例极限 1.3.1 线型非晶态高聚物的应力-应变曲线 高分子材料性能学 36 拉伸过程高分子链的三种运动情况： 弹性形变（开始e点） 强迫高弹形变 塑性变形 e y（屈服点） 高分子材料性能学 37 动画引自九江学院杜大明材料科学基础ppt 弹性变形与塑性变形 高分子材料性能学 38 l弹性变形 材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子（离子）或分子 自平衡位置产生可逆位移的反映。橡胶类材料则是呈卷曲状 的分子链在力的作用下通过链段运动沿受力方向产生的伸展 。 材料
14、在等温、等容条件下发生弹性回复的驱动力由内能变 化和熵变两部分组成。 高分子材料性能学 39 l弹性变形的特点 1)可逆性：去掉外力后变形消失 弹性变形都是可逆变形 2).金属、陶瓷或结晶态高聚物：应力-应变线性 关系，弹性变形量都较小 3).橡胶态的高聚物：应力-应变不呈线性关系， 且变形量较大 高分子材料性能学 40 l弹性变形的力学性能指标 （1）弹性模量：是单位应变所需应力的大小，物理意义是 产生100 %弹性变形所需的应力。 （2）比例极限p：是保持应力与应变成正比关系的最大应力， 即在应力-应变曲线上刚开始偏离直线时的应力 （3）弹性极限e： 是材料发生可逆的弹性变形的上限应力值
15、，应力超过此值，则材料发生塑性变形 。 高分子材料性能学 41 （4）弹性比功： 是材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的 弹性变形功，又称弹性比能或应变比能，用e表示，它在数值 上等于应力-应变曲线弹性段以下所包围的面积 e o 提高弹性比功的方法： 提高e 降低E（提高弹性极限应变e） 橡胶低E和高弹性应变高弹性 比功 高分子材料性能学 42 l非理想弹性 理想弹性行为： （1）.应变-应力线性 （2）.应力和应变同相位 （3）.应变是应力的单值函数 高分子材料的非理想弹性行为： 滞弹性、粘弹性、内耗 高分子材料性能学 43 （1）滞弹性 材料在快速加载或卸载后，随时间的延长 而产生的附加弹
16、性应变的性能，又称弹性后效。 弹簧 薄膜传感器 动画引自九江学院杜大明材料科学基础ppt 非理想弹性变形 高分子材料性能学 44 滞弹性示意图 AB a bc e d O H 正弹性后效 加载时应变落后于应力 反弹性后效 卸载时应变落后于应力 高分子材料性能学 45 定义：材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理 同时存在的一种力学行为 粘性：液体或溶体内质点间或流层间因相对运动而 产生的内摩擦力以反抗相对运动的性质。 （2） 粘弹性 特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过 一个驰豫过程，卸载不留残余变形；应力和应变的关系与 时间有关。 高分子材料性能学 46 （3） 内耗 理想弹性行为 高分子材料性能学 47 0 A C D B E 橡胶拉伸和回缩的应力-应变曲线 内耗也称为材料循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆变 形供的能力，又称消振性 高分子材料性能学 48 l塑性
