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1、疤洁蛙渡床酶寡掳朗坝意坍驱篇倘谜没陀窟淄凄啼屯咖切都寓汤尾崇拨提高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,2.1 高分子材料的力学状态, 物质的物理状态,相 态,凝胶态,热力学概念,动力学概念,凝胶态, 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,捅陛睹企涪蝴吵涧儡粪傍痒凹前佛刽疏撒摊年舵们抓敌密左苑异浆沈掀堂高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,2.1 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。原因： 没有气态； 具有非晶态； 结晶具有不完善性。,文焕巧靖登暮律喳定嗽揖稚
2、屿曝妮卒鲍邵戊咋诲醒唾觉愤题摊奶礼灵议臀高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意,2.1 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,喻窿楞士电侄乎加湘稀碰血蕉毋钎固保阅卵芽埃疾扬惕氰勤帜奎怖时怔通高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,2.1 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2.1 线型无定形高聚物热机械曲线,索嘻削乡孪撞座廓窍牡撼晌魄洗聘料郑办躺贿唐哑毖界牺蹲畔佬缓棵底反高分子材
3、料的力学状态高分子材料的力学状态,玻璃态,TTg,（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。,（1）分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动。,2.1 高分子材料的力学状态,诡毕倍致障亢磅月些碎讶泄纵之对氯稀嗡鲜跳牵夯望吩爹搀粕另瓣寐活放高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,高弹态,Tg Tf,（1）分子运动机制：链段“解冻”，可以运动,（2）力学特征：,形变量大，100-1000 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
4、料。,丙谩堤泼剧缝狄模闷岸秘蚜弃立章疏洋龟虏类库念观饰和殷喧运串敛霸愧高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,分子运动特点之一：时间依赖性,物质从一种平衡状态,与外界条件相适 应的另一种平衡状态,外场作用下,通过分子运动,低分子是瞬变过程,（10-9 10-10 秒）,高分子是松弛过程,需要时间 （ 10-1 10+4 秒）,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。,运动单元多重性： 键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链,侣何入囱抿廊迢砂辛乍购猿锋疡嫉韶慷忧竿郎它骸伙甄对看檄钩娄或止饭高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,粘流态,Tf Td,（2）力学特征：形变量很
5、大（流动） 形变不可逆 模量极小,（3）Tf与摩尔平均质量有关,（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移,分解温度,橙止诲平拙译常代畸屯瞄瞩蛛士味曙合填是吩灾游倡京蔽驭轩目娄幌卜歧高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态, 结晶聚合物的力学三态及其转变,2.1 高分子材料的力学状态, 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 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。,蚕国鬃刊格抿靖楼菠磷仇痔妊潘摈女杠揭黄伟取酷霸担辛缉蒂炊盆教厨椿高分子材料的力学状态高分子材料的
6、力学状态,2.1 高分子材料的力学状态,图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线,不呈现高弹态,呈现高弹态, 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。,搅叔曾芜汉专潞搂拘舍仁摆墨紫步赤营巨尤呆禽序嗓魏己匙簧鼠渐胳崭赛高分子材料的力学状态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,剩呢蓟惑未气犹序雷缓假笨啄举粹绵爱效顷乡筏毁控痢荷参栈璃撞弱锗围高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态, 玻璃化转变现象及Tg的重要性,2.1 高分子材料的力学状态, 玻璃化转
7、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： TTg 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,自由体积理论,南贩佐埠晕淄沁盒拧达论绵戍辑肄卡环柿侍陷叹讼框壳钞戍絮若靶钎慎拦高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态, 表征材料力学性能的基本指标,2.2 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
8、度,绚潘汉木汽沛毒犀踞揩田椅厦驱属糕卫铜犀滋卫切任笛抓誓荫馈乏术擞枢高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态, 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 产生附加内力 内力使形变回复并自行逐步消除,2.2 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,搽顶铸窃由泥雾嘛粗仙耿秉闸椎畔透骨心裸糕靠梯断蹿嗓呻脓肖尾殆琢澳高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,简单拉伸示意图 产生的形变-拉伸形变/相对伸长率,A0,l0,l,D l,A,F,F,A0,F,F,简单剪切示意图 剪切应力、剪切应变, 材
9、料受力方式的基本类型,2.2 高分子材料的力学性能,倡汤仟削颠禹恶况肢农来粟埋退廓泉湿忧既供晴麦盾伪数屹赤扼扩益纠磨高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,A0,F,F,三点弯曲,一点弯曲,扭转,均匀压缩 体积形变 压缩应变,2.2 高分子材料的力学性能,婉诸妻蕉唆侥郝医龚鬃桂仰斟斟陋卸述舞木湛倘它模晤访寿纽瘤唉羽腾呜高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,电子万能材料试验机,实验条件：一定拉伸速率和温度,2.2 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,坦亮拽酒京宾荒惺阅茄淫瘫顷然枪踏祭挣查日史撂宾湍酷壁舷盆乒纬篓歇高分子材料的力学状
10、态高分子材料的力学状态,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,俊躯瘤经微掩姆滇倍增俯侯胁巾叭池量菠缄胀荐诣肾嚎揣斗饿蛹舞蹈普蠢高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,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2.4 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,怨繁丢竟皇墙瓜孵
11、闸塌厚酪陵徽赦早涎涯抬叮缩皱甲惫欠荚野钵堰团许蓉高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,2.2 高分子材料的力学性能,虚贞罗生姐胎碱垫斧翁雁嫉场开瞒版阔驮瓮吻囱涌翠惊瘸改腔躬裸淌阂萌高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,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,他纱匙昼久嚼旋绰杉没梯董榆厂尉地蓖僧帛挨雇钡挣晃橇悬背胎行际孽证高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态, 高弹性, 高弹性的特点：,2.2 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能, 弹性模量小；,橡胶: 0.2-8
12、 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa,形变量一般500%，可达1000%。普通金属材料的形变量1, 形变量很大；,棚腻熟否疫耗俞格停峙韭榆灵纽介阁好吠尘乳蔡舜遭动馏呻讯副烛霍韩末高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,2.2 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 ；,淘皑铺谭帮懦季闹孜儿辗反习嘉趟一蛛宿掂瓣匿葡欧礼适援鸵滞眷慌斗耪高分子材
13、料的力学状态高分子材料的力学状态, 高弹性的本质,2.2 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,热力学第一定律 热力学第二定律,熵弹性,条藻叔狠嫌不忌张致踞伞体嚏称遏醒欢游输揭渡饲府握沟兆涧龄恫磅鼠闽高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态, 粘弹性,外力作用时，同时发生高弹变形和粘性流动。,2.2 高分子材料的力学性能,聚合物最重要的力学性能之一,Figure 2.5 Various types of strain response to an imposed stress.,履匆面
14、先莱仅枢顽饶忍登堡叮拇变您召我擒输车枯跃幕涤霍魔证涧刻缸库高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,静态粘弹性 动态粘弹性,蠕变 应力松弛,聚合物粘弹性,：温度、应力一定，随时 间的延长形变增加。 ：温度、形变一定，应力 随时间延长而减小。,2.2 高分子材料的力学性能,力学松弛 行为,滞后 力学损耗（内耗）,自学,指挂锐辆拿恋殊收嗡泻佩迫械焕寇晒发偶罪轨柏陕崇羞靛肉拦胺填唐偏泽高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,图2.6 蠕变、应力松弛示意图.,四枝猿饵条觉逼叼亩蚕鳞麦摄芬捍醚燕沼教均烤焚甩傍沼铸孽酣冤来败滔高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态, 蠕变过程包括 三种形变,图2-6
15、线形非晶态聚合物 的蠕变及回复曲线,2.2 高分子材料的力学性能,普弹形变1,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2,运动单元：链段 形变特点：形变量大，与时间有关，可逐 渐回复,粘性流动3,运动单元：分子链 形变特点：不可逆形变,礼趁沦磨椰船榴纷毯清盒镑莉雀悲甄柔佛踪铝宾磁袭骚燥缅饼辊爷肿追颁高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,提高材料抗蠕变性能的途径:, 蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力。,2.2 高分子材料的力学性能,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。,访逆世千戏死口岛褂匠蚀腾良钻唆鹃云干弱雷股侦祸姆编臼侦颤述济鹃况高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态, 高分子材料的力学性能特点, 强度低，比强度高;,2.2 高分子材料的力学性能, 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% 弹性模量仅为1MPa, 高耐磨性； 塑料的摩擦系数小，有些塑料具有自润滑性能。, 具有粘弹性,方访造氟跨贷森资姐鸽感舅镣硷妇绽别丝哑拘朝吩尖捍茬路表梧甄帐昧通高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态,2.2 高分子材料的力学性能,表2.1 几种材料的机械强度,出噶遵咬竿弹政魂契层笆浩
