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1、聚合物的力学性能,聚合物的力学性能的内涵,固体高分子材料的力学性能，也就是研究受力后，它的尺寸稳定性和强度问题，或者说是形变的特征和破坏的规律问题。 研究力学性能有两个相关的目的。 1、获得描述聚合物力学行为的数据和一般规律。 2、深入了解力学性能与分子结构的内在联系。,聚合物力学性能的特点 1、在所有的材料中，高分子材料的力学性能可变性范围宽，性能多样，用途广。 2、具有独特的高弹性 3、具有显著的粘弹性 4、强烈地温度和时间依赖性 5、强度低、模量低、但比强度（强度/密度）高,三种基本的应变类型 简单拉伸 简单剪切 均匀压缩,此时讨论的为各向同性材料,简单拉伸,杨氏模量 E (MPa) -
2、拉伸应力 -拉伸应变 F-拉伸力 AO-试样原始截面积 LO-试样原始长度 L-伸长长度,真实应力,工程应力,简单剪切,剪切模量:G (MPa) 剪切应力 剪切应变 = tg ,体积模量： B (Kg) P 流体静压力 V 体积变化 V0 原始体积,均匀压缩,三种应变模量的关系,对于各向同性的材料有 E = 2G (1+) = 3B (1-2 ) (泊松比):横向形变与纵向形变之比 一般材料约为0.20.5 注意!上述四个参数中只有两个是独立的,常用的几种力学强度,当材料所受的外力超过材料的承受能力时，材料就发生破坏。机械强度是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在一定条件下材料所能承受的最大应力
3、。 根据外力作用方式不同，主要有以下三种：,厚度d,宽度b,在规定试验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸负荷，直至试样被拉断。,P,P,试样断裂前所受的最大负荷P与试样横截面积之比为抗张强度t： t = P / b d,（i）抗张强度 衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。,（ii）抗弯强度 也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度的测定是在规定的试验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。,设试验过程中最大的负荷为P，则抗弯强度f为： f = 1.5Pl0 / bd2,（iii）冲击强度（impact stength)（i） 冲击强度也称抗冲强度, 定义为试样受冲击负
4、荷时单位截面积所吸收的能量。是衡量材料韧性的一种指标。测定时基本方法与抗弯强度测定相似，但其作用力是运动的，不是静止的。,试样断裂时吸收的能量等于断裂时冲击头所做的功W，因此冲击强度为： i = W / bd,冲击强度测定试验示意图,冲击头，以一定速度对试样实施冲击,高聚物的拉伸行为,应力 应变曲线 最常用于描述高聚物的力学性能,应力应变曲线的形状取决于:,化学结构,化学组成 ,结构 分子量及其分布 支化交联,物理结构,结晶及取向 晶区大小与形状 加工形态,温度、速率等,试验测试条件,由拉伸试验可测得高聚物的应力-应变曲线,OA：服从虎克定律，直线斜率为E，普弹性，可逆,A：弹性极限点,Y：屈
5、服点,屈服应力,屈服应变,B：断裂点,断裂应力,断裂伸长率,CD：细颈、成颈、冷拉，塑性变形，不可逆,曲线下的面积：韧性,高分子材料的强弱由 大小来区分，软与硬由E的高低来区分，韧与脆由曲线下的面积区分,屈服点Y : d /d = 0 Y前部弹性区域 E大形变小可逆 Y后部塑性区域 E小形变大不可逆 拉伸(断裂)强度X 屈服点Y前断裂脆性断裂 屈服点Y后断裂韧性断裂,（1）材料硬而脆：在较大应力作用下，材料仅发生较小的应变，并在屈服点之前发生断裂，具有高的模量和抗张强度，但受力呈脆性断裂，冲击强度较差。,（2）材料硬而强：在较大应力作用下，材料发生较小的应变，在屈服点附近断裂，具高模量和抗张强
6、度,由此可将高分子材料分为：,（4）材料软而韧：模量低，屈服强度低，断裂伸长率大，断裂强度较高，可用于要求形变较大的材料。,（3）材料强而韧：具高模量和抗张强度，断裂伸长率较大，材料受力时，属韧性断裂。 以上三种聚合物由于强度较大，适于用做工程塑料。,（5）材料软而弱：模量低，屈服强度低，中等断裂伸长率。如未硫化的天然橡胶。,（6）材料弱而脆：一般为低聚物，不能直接用做材料。,玻璃态非晶高聚物的拉伸,典型的非晶聚合物的应力-应变曲线,过程：弹性形变-屈服-细颈（应变软化）-冷拉-应变硬化-断裂,物理参数：弹性模量E、屈服强度、屈服应变、断裂伸长率、断裂强度、拉伸韧性（断裂能）,温度和形变速率对
7、非晶聚合物应力应变曲线的影响因素,温度影响 a) T Tg 进入高弹态、形变大 不出现屈服点, 拉伸速率的影响 断裂强度 拉伸速率 相当于温度 断裂伸长率 拉伸速率 相当于温度,结晶高聚物的拉伸,曲线可分为三个阶段 试样均匀拉伸应力随应变线性 至Y 出现”细径”并不断扩展, 应力几乎恒定 成径后继续均匀拉伸, 应力 直至断裂,分子机理:发热软化理论 外力作用 缩径区分子链取向 构象熵 S 减小 , S0 放热 缩径区附近温度 屈服强度 容易变形使缩径进一步扩大,高弹态聚合物的力学性质,橡胶材料是重要的高分子材料之一，在Tg以上，处于聚合物特有的高弹性力学状态。高弹性无疑是这类材料显著的特征或说
8、独特的性质，是材料中一项十分难得的可贵性能，被广泛用于各个领域，其作用是不可替代的。 橡胶的分子结构和高弹性的本质长期以来一直受到人们的注视和研究；提高橡胶的耐寒性和耐热性即扩大橡胶的使用范围，成了人们新的课题。,高弹性的特点 弹性：物体抵抗引起形变的外力，并于外力解除后恢复原状的能力。 弹性体：能完全恢复原状的物体。,普弹形变 高弹形变 在弹性范围的伸长率(%) 0.11 1000%或更高 拉伸时 冷却 变热 回缩时 变热 冷却 泊松比 0.5 0.5 拉伸时的比容 增加 不改变 弹性模量 Kg/cm2 104 2x106 20 200 升温时的E E E 形变速度 与应力同时产生 落后于应
9、力 形变对T的依赖性 很少 依赖 本质 能弹性 熵弹性,高弹性的特点 1、形变大 1001000%；一般金属材料的弹 性形变不超过1% 模量小 只有104N/m2左右，T，E 一般金属材料达109N/m2 , T,E 2、形变时伴有明显的热效应 拉伸时，橡胶会放出热量，T; 回缩时吸热T。金属则相反。 3、高弹形变是一个松驰过程，具有时间依赖性，通常需要一定时间才能达到平衡状态。,高聚合物的力学松驰粘弹性,理想弹性固体：=E 形变和回复都瞬时完成 理想粘性液体：= 形变随t而 高分子材料：在外力作用下，其应变可同时兼有弹性材料和粘性材料的特征。应力的大小既依赖于应变又依赖于。,.,.,这种兼有
10、粘性和弹性的性质称为粘弹性。 线性粘弹性：服从虎克定律的弹性行为和 服从牛顿定律的粘性组合来 描述的粘弹性 非线性粘弹性：与上相反。 粘弹性是高分子行为材料的另一个重要特性。聚合物的粘弹性随时间的变化统称为力学松驰。 粘弹性行为是由于外力将迫使分子链构象的重排.聚合物对外力的响应部分是弹性的，部分是粘性的。,粘弹性现象 一、 蠕变（静态粘弹性） （一）、定义=f(t)T、 外部作用：拉伸、压缩、剪切，相应的应变为伸长、收缩、剪切形变。对塑料来说，最常用的拉伸蠕变。 蠕变实例：汽车停在柏油路上，t,路面会形成凹陷；悬挂的PVC雨衣，会越来越长；晒衣服的塑料绳会越来越弯曲。,=f(t)T、曲线称为
11、蠕变曲线。 在t1时给材料加工上一定负荷0、随t而。在t2时刻除掉负荷=0，这一过程称为蠕变回复。,（二）、蠕变的分子运动机理 聚合物的蠕变过程，本质上是长短不同的各种运动单元对外力的响应相继表现出来的过程。 蠕变包括三种形变：普弹形变、高弹形变、塑性形变（粘性流动）。,在外力作用下，由分子的键长和键角变化引起的，形变很小（约为0.2%-1%），响应是瞬时的，可逆，服从虎克定律，可用理想的弹性体表示：,普弹形变示意图,（1）普弹形变,是在外力作用下，由链段的运动使分子链的构象发生变化而引起的，形变比普弹形变大的多，但不是瞬时完成的。形变与时间有关，外力除去，高弹形变逐渐回复。,（2）高弹形变,
12、可用形变与时间的关系来描述：,（3）塑性形变（粘性流动）,粘性流动示意图,可用牛顿流体定律来描述,受力时发生分子链相对滑移造成的，不可逆,当聚合物受力时，以上三种性变同时产生,加力瞬间，键长、键角立即产生形变，形变直线上升,通过链段运动，构象变化，使形变增大,分子链发生质心位移,外力除去后，首先是1的回复，然后是2的回复，3是永久形变不能回复,蠕变形变为三种应变的加和，因此总应变为：,蠕变函数，是高聚物的特征函数，表征高聚物的蠕变形为的时间依赖性，具体形式可以由试验确定或由理论推出。,蠕变是链段和大分子取向重排的结果，形变发展需要时间，故它是松驰过程。交联高分子不能发生分子间的运动，不产生永久
13、形变，在足够长时间后，应变将达平衡态。,应力松驰（静态粘弹性） （一）、定义：=f( t ) T. 应力松驰实例：PVC或尼龙绳缚物，开始扎得很紧，后来就变松了；松紧带开始用感觉比较紧，但用过一段时间后，就会越来越松。,对线型高分来说，如PB试样，用力将它拉伸至一定长度并迅速解除外力，可以看到它很快回缩。但是，如果将它拉伸至恒定长度，并持续足够长的t，则可以测定维持此恒定长度所需的张力逐渐衰减，直至消失为零至此不再需要任何外力，形变仍然保持。 =f( t ) T. 曲线称为应力松驰曲线,如图所示，形变刚发生时应力最大，然后，在足够长t后，线型分子其应力可松驰到零，交联高分子应力最后松驰到其平衡
14、态的数值保持一定的应力。,聚合物的应力松驰过程也是不同的运动单元,对外界刺激的响应相继表现出来的过程。,（二）、分子运动机理,试样在外力作用迅速拉伸，高分子被迫沿外力方向取向，因而产生内部应力，以与外力相抗衡。,初始的形变包括了键角键长的改变（普弹形变）和卷曲分子的拉伸形变（高弹形变），整个分子处于不平衡的构象，有逐渐过渡到平衡状态消除内应力的趋势。,链段协同运动使大分子质心能发生位移，相互滑脱，重新卷曲达到新的平衡态，此时的形变全部由塑性形变所维持，应力衰减为零，与之平衡的外力也衰减为零。,由于分子的热运动，键角键长首先恢复平衡，消除普弹形变的应力，内部应力，外力也。,随着t,链段沿力方向的
15、热运动，解取向和重新排列，高弹形变得以回复，内部应力和外力都进一步。,对于交联高分子，分子链不能相对滑移，应力下降到一定值后维持不变。 由上述可知，应力松驰也是一种形式的弹性和粘性的组合，过程不是瞬时的，因为解取向，重新卷曲都要受到内摩擦力的阻抗。,聚合物的屈服与塑性,曲线反映了材料的力学性能。它能直观地看出材料是脆性的还是韧性的。屈服点之前断裂是脆性断裂，屈服点之后则是韧性断裂。韧性断裂必然经过了或者意味着屈服和塑性形变。,试验中是断裂还是屈服，首先取决于b和y的相对高低。若by，又在TbTTg范围就可能发生屈服。除剪切屈服外，聚合物还可发生一种特殊的局部屈服现象银纹化。,（一）、屈服及其特征 屈服：材料对抗永久形变的能力。 屈服点:曲线上第一次出现或不变，而
