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1、8 Yielding and breaking of Polymers （Mechanical Properties of Polymers） 聚合物的屈服和断裂聚合物的屈服和断裂( (高分子的力学性能高分子的力学性能) )Polymer Physics高分子物理Mechanical PropertiesnTensile 拉伸 拉伸强度，拉伸(杨氏)模量，断裂伸长率，屈服强度，100定伸应力nImpact 冲击 悬臂梁，简支梁，落锤，缺口，无缺口nCompress 压缩 压缩强度，体积模量nBanding 弯曲 弯曲强度，弯曲模量nShear 剪切 剪切强度，剪切模量n28.1 Stress-
2、Strain Behavior of Polymers高分子的应力高分子的应力- -应变行为应变行为 3Tensile stressTensile strainTrue stress 拉伸应力拉伸应变真应力A0FFl0llA8.1.1 Term definition 基本术语定义4拉伸试验机Y: yield pointy: yield strengthy: elongation at yield 屈服点屈服点屈服强度屈服伸长率B: break pointb: break strength b: elongation at break 断裂点断裂点断裂强度断裂伸长率Tensile strengt
3、h拉伸强度拉伸强度Youngs modulus 杨氏模量杨氏模量Fracture energy 断裂能断裂能: OYB面积面积Typical stress-strain curvebyby0YBY屈服点Y前断裂脆性断裂 后断裂韧性断裂8.1.1 Term definition 基本术语定义5序号12345类型硬而脆硬而强强而韧软而韧软而弱曲线模量高高高低低拉伸强度中高高中低断裂伸长率小中大很大中断裂能小中大大小实例PS、PMMA酚醛树脂硬PVC、ASPC、ABS、 HDPE硫化橡胶、软PVC未硫化橡胶、齐聚物软硬：模量强弱：拉伸强度韧脆：断裂能Typical stress-strain cur
4、ve8.1.1 Term definition 基本术语定义6y0YBIIIIIIMolecular motion during tension 拉伸过程中高分子的运动8.1.1 Term definition 基本术语定义普弹形变键长键角运动可回复强迫高弹形变链段沿外力方向取向加热至Tg以上可恢复粘流形变整链相互滑移或断链不可回复Elastic deformationForced rubber-like deformationIII Viscous flow 7How to find yield point in true stress-strain curve?屈服点定义01从横坐标点=
5、1向真应力-应变曲线作切线，其切点为屈服点，对应的真应力是屈服真应力8.1.2 Considre drawing Considre作图法真应力无体积变化且均匀变形适用条件？8p从横坐标点不能向曲线上作切线拉伸时，高分子随负荷增大而均匀伸长，不能成颈 (橡胶)p从横坐标点可向曲线上作一条切线，切点即为屈服点拉伸时，高分子随负荷增大而均匀伸长，到切点时成颈，随后细颈逐渐变细，负荷下降直至断裂p从横坐标点可向曲线上作二条切线在A处成颈，进一步拉伸时工程应力沿曲线下降至B点。之后，工程应力稳定在B点，细颈稳定扩展，直至试样全部变成细颈，最后，进一步拉伸则继续发展直至断裂AB00011Three typ
6、es of true stress-strain curve 三种真应力-应变曲线8.1.2 Considre drawing Considre作图法 09 化学组成化学组成l 化学结构化学结构 分子量及其分布分子量及其分布 支化、交联支化、交联 结晶及取向结晶及取向l 物理结构物理结构 晶区大小与形状晶区大小与形状 形态形态l 试验条件试验条件温度、速率、流体静压力等温度、速率、流体静压力等 8.1.3 Factors influencing stress-strain curves of polymers 高分子应力应变曲线的影响因素108.2 Yielding and cold draw
7、ing of Polymer聚合物的屈服与冷拉聚合物的屈服与冷拉 11by0I8.2.1 General stress-strain behavior for polymers 高分子应力-应变行为的一般特点Elastic deformationn线弹性阶段l屈服后，试样测试区出现一处、或几处“颈缩”l冷拉中，细颈不断扩展至整个试样(测试区)；应力几乎保持不变Forced rubber-like deformation颈缩形成及其扩展(成颈necking；冷拉cool drawing)断裂屈服阶段，伴随一应力降过程(软化softening)III Viscous flow 应力增大(硬化har
8、dening)l继续拉伸，全体缩颈的试样发生应变硬化，直至断裂12高分子为什么会屈服？屈服后为什么会产生细颈？细颈为什么会扩展？ 8.2.2 Principle of yielding 屈服原理q在屈服点，韧性高分子试样上常出现与拉伸方向约成45角倾斜的剪切滑移变形带(Shear band)，且逐渐生成对称的细颈Analysis of the stress during tensile test法向法向( (拉拉) )应力应力切向切向( (剪剪) )应力应力 0横面上，法向(拉)应力最大45截面上，切向(剪)应力最大 =0 =0 = 0=45=0/2=0/2=90=0=014Shear ban
9、d for rock8.2.2 Principle of yielding 屈服原理8.2.2 Principle of yielding 屈服原理l法向(拉)应力与抗拉极限相关，取决于主链强度(键能)材料在法向应力作用下的破坏，往往伴随主链的断裂l切向应力与抗剪切极限相关，取决于分子间内聚力材料在切向应力作用下的屈服，往往发生分子链的相对滑移垂直应力下的分子链断裂剪切应力下的分子链滑移不同的高分子具有不同的抗拉、抗剪能力l材料的最大抗拉伸能力，为临界抗拉伸强度cl 最大抗剪切能力，为临界抗剪切强度c脆、韧判据脆、韧判据 l脆性：c c (抗拉 c (抗拉抗剪极限)，首先达到抗剪极限高分子高分
10、子(23 C)抗拉极限抗拉极限 c / MPa抗剪极限抗剪极限 c / MPaPS4048SAN5673PMMA7449PVC6739PC8740PES8056PEEK1206216q脆性试样(抗拉极限抗剪极限)(45、135斜截面上)最大剪切应力(半拉伸应力)达到剪切强度前，横截面(垂直于拉伸方向)上法向(拉)应力(拉伸应力)已达材料的拉伸强度，试样来不及屈服就断裂q韧性材料(抗剪极限抗拉极限)(45、135)斜截面上的最大剪切应力(半拉伸应力)先达到剪切强度，使材料屈服，出现剪切带进一步拉伸，剪切带中分子链取向，强度提高，变形暂时停止。其边缘则进一步发生剪切变形试样逐渐生成对称的细颈 (直
11、至细颈破坏，或扩展至整个试样)8.2.2 Principle of yielding 屈服原理17Neck细颈q脆性高分子：断裂前试样不发生明显变化，断面与拉伸方向垂直，且很光洁q韧性高分子：屈服后产生细颈(neck)，之后细颈逐渐扩展，应变增加而应力不变(称冷拉，cold drawing)，直至细颈扩展到整个试样，应力才重新增加直至断裂q冷拉是强迫高弹形变对于非晶聚合物，主要是链段取向对于结晶聚合物，主要是片晶的变形Necking and cold drawing8.2.3 Cold drawing 冷拉l是否发生强迫高弹形变(冷拉)，关键有两点：p 屈服后，应呈现软化效应p应变增大后，应呈
12、现硬化效应 l环境温度、拉伸速率、分子量，均明显影响冷拉温度过低或拉伸速率过高，分子松弛不充分，造成应力集中，材料过早破坏 高或 低，分子链可能发生滑移而流动，发展大变形分子量较低，不能够充分拉伸、取向，屈服后不久就发生破坏软、硬兼具，才能实现冷拉18glassy amorphous polymers 玻璃态非晶高分子具有屈服点的断裂，为韧性断裂l屈服前除去外力，形变立即回复；形变由键长键角变化引起，较小l屈服后除去外力，形变不再回复；但将温度升至Tg附近，链段运动解冻，形变可恢复该形变属高弹形变。因在较大外力强迫下产生，称强迫高弹形变l温度愈低，产生强迫高弹形变所需应力就愈大l温度足够低时，
13、无论多大的外力都无法产生强迫高弹形变，只发生脆性断裂。此时温度称脆化温度Tb ，是高分子使用的最低温度8.2.3 Cold drawing 冷拉lT Tg 脆性断裂lT Tg 出现屈服，形变稍大lT Tg 高弹态、形变大，无屈服点19E: 活化能: 外力: 活化体积 : 松弛时间条件条件屈服应力Y 断裂应力b温度范围 TbTTg拉伸速率适当越大，越小与外力作用时间相当时，就可能产生强迫高弹变形glassy amorphous polymers 玻璃态非晶高分子8.2.3 Cold drawing 冷拉强迫高弹形变态l在大应力作用下，有些玻璃态高分子能产生百分之几百的大形变(高弹形变)l产生原因
14、：外力使链段运动松弛时间降低外力使链段运动松弛时间降低208.2.2 Principle of yielding 屈服原理glassy amorphous polymers 玻璃态非晶高分子样条尺寸：横截面小的地方应变软化：塑性不稳定性容易发展， 应力集中 。出现“细颈”的位置自由体积增加松弛时间变短出现“细颈”的原因无外力有外力 松弛时间（relaxation time）是指物体受力变形，外力解除后材料恢复正常状态所需的时间。曲线可分为三个阶段l均匀拉伸至Yl屈服、成颈、颈扩展(应力几乎恒定)l成颈结束后均匀拉伸，应力硬化至断裂缩颈区分子链取向，模量提高，使缩颈进一缩颈区分子链取向，模量提高
15、，使缩颈进一步扩大步扩大 Y从远低于Tg，直到Tm附近，结晶高分子均可发生冷拉伸，也属强迫高弹变形Semicrystalline polymers 结晶高分子8.2.3 Cold drawing 冷拉22受拉伸形变时，晶片发生位错、受拉伸形变时，晶片发生位错、转向、定向排列、拉伸示意图转向、定向排列、拉伸示意图冷拉伸，使原有的结晶结构(球晶、片晶)破坏，形成更小的结晶单元，分子链从晶体中被拉出、伸直，沿拉伸方向排列Semicrystalline polymers 结晶高分子8.2.3 Cold drawing 冷拉23q单向拉伸至屈服点时，韧性高分子中出现的、与拉伸方向成约45角倾斜的剪切带S
16、hear band 剪切带8.2.4 Shear band and Craze 剪切带和银纹q剪切带厚约1mq剪切带内部，分子链沿外力方向高度取向q剪切带内部，无空隙，形变过程无明显的体积变化l剪切带的产生与发展可吸收大量能量l剪切带发生取向硬化，阻止了剪切带内部形变的进一步发展剪切带24裂缝银纹q应力作用下，高分子材料中薄弱环节因应力集中而产生的局部塑性形变和取向，在垂直于应力方向上出现微细的空化条纹状形变区q银纹折光指数 10%形变小 ， 材料内聚力，导致裂缝增长，进而使材料断裂 8.3.1 Griffith fracture theory Griffith断裂理论30采用能量分析法得到表
17、征脆性材料实际强度与结构参数关系的方程。基本观点如下：1）实际材料中已经存在裂纹；2）裂纹扩展，系统释放弹性能（降低） ， 生成新表面，即表面自由能增加。 释放弹性能 生成新表面自由能，裂纹扩展； 释放弹性能 = 生成新表面自由能，临界状态。2b2a00Stress distribution near an ellipsoid无限大平板上刻一椭圆孔在垂直于椭圆孔长轴方向施以均匀张应力，则椭圆孔附近存在应力集中，两端的应力最大椭圆裂缝a b裂缝尖端曲率半径Stress concentration 应力集中8.3.1 Griffith fracture theory Griffith断裂理论31l
18、Griffith线弹性断裂理论，从能量平衡观点分析断裂过程，认为q断裂产生新表面，所需要表面能由材料弹性储能的减少来补偿q大量弹性储能集中于裂缝附近。材料在裂缝处先行断裂裂缝面积弹性储能单位面积裂缝的表面能裂缝发展的条件表面能弹性模量临界应力Griffith Equation Griffith equation Griffith方程8.3.1 Griffith fracture theory Griffith断裂理论32KI KIC 时破坏Griffith Equation 应力强度因子KIC材料本身的性质 C 时破坏Stress intensity factor 应力强度因子8.3.1 Gr
19、iffith fracture theory Griffith断裂理论33q认为断裂是松弛过程q宏观断裂，是化学键断裂的热活化过程q原子热运动的无规热涨落能量 束缚原子的位垒时，化学键离解，发生断裂。该过程与时间有关q在恒应力作用下，材料从完好状态到断裂的时间，称为承载寿命q外力降低了活化位垒，致使寿命降低，材料易断裂U0U0DistanceEnergyAABPotential barrier of a chemical bondGreen: without stressRed: with stress8.3.2 Molecular theory 断裂的分子理论34q拉伸应力作用下，材料寿命与
20、应力的关系为聚合物聚合物断裂活化能断裂活化能U0, kJ/mol热分解活化能热分解活化能U , kJ/molPVC146134PE226230PMMA226218222PP235230243PTFE314318335Nylon66118180断裂活化能活化体积测定不同、T下的ln，就可求得U0，发现与热分解活化能相当接近，说明假设正确Activation energy of fracture 断裂活化能高分子断裂活化能与热分解活化能的比较8.3.2 Molecular theory 断裂的分子理论358.4 Tensile Strength of Polymers高分子的拉伸强度高分子的拉伸强
21、度36q从分子角度看，高分子之所以有抵抗外力破坏的能力，主要靠分子内的化学键、分子间的范德华力(和氢键)q不考虑其他因素，可从微观角度计算出高分子的理论强度q为简化问题，把聚合物断裂的微观过程归纳为3种化学键破坏 分子间滑脱范德华力或氢键破坏8.4.1 Theoretical strength 理论强度37q断裂截面上所有高分子链的化学键同时破坏qC-C键能335378kJmol-1，每键键能56 10-19J。该能量可看作克服成键的原子引力化学键键能d0.154nm时，化学键破坏破坏一根化学键所需的力高分子链的截面积单位面积的高分子链数破坏单位面积化学键所需的力Chain scission
22、断链8.4.1 Theoretical strength 理论强度38q高分子链平行于受力方向排列，使断裂截面上所有高分子链间作用力(包括范德华力和氢键)同时破坏粗略估算断裂面上高分子链的数目与前者相同高分子的摩尔内聚能比共价键键能大510倍，故理论强度约为12105MPaChain slippage 分子间滑脱8.4.1 Theoretical strength 理论强度39Destroy of Van der Waals bond 范德华键破坏q高分子链垂直于受力方向排列，使断裂截面两侧高分子链间的分子间作用力(包括范德华力和氢键)同时破坏粗略估算高分子的截面积为0.2nm2，纵剖面积为1
23、00nm0.5nm=50nm2断裂截面上的链数是前者的0.2/50，故理论强度约12105/250=400800MPa8.4.1 Theoretical strength 理论强度408.4.2 Tensile strength of practical polymers 实际高分子的拉伸强度高分子的实际强度为10100MPa， 平均应力。局部应力达到材料的理论强度，首先发生破坏，继而扩展到材料整体 l玻璃态高分子中，存在大量尺寸100nm的孔穴，有应力集中效应l高分子合成、加工过程中，难免引入许多杂质和缺陷，有应力集中效应破坏总是先发生在某些薄弱环节，不可能是那么多的化学键或分子间作用力同时
24、破坏高分子聚集态结构不可能像理论计算时那么规整 8.4.2 Tensile strength of practical polymers 实际高分子的拉伸强度链末端 链缠结 次价键 交联点 片晶内缺陷高分子的实际强度为10100MPa， 聚氯乙烯聚氯乙烯(极性基团极性基团) 聚异丁烯聚异丁烯8.4.3 Factors influencing tensile strength 影响高分子拉伸强度的因素44Molucular weight 分子量分子链的链端对强度无贡献分子量越高，端链所占比例越少，强度越高极性聚合物(PA) 分子量应达20k或以上非极性聚合物(PE) 分子量应达50k或以上8.4
25、.3 Factors influencing tensile strength 影响高分子拉伸强度的因素45Crystallization 结晶q结晶形态伸直链晶体串晶球晶q结晶度q球晶尺寸拉伸强度结晶使分子间排列紧密结晶使分子间排列紧密分子间作用力分子间作用力 ，E E随结晶度增大，屈服应力、拉伸强度、弹性模量均提高，断裂伸长率、韧性下降均匀小球晶(类似交联点)使强度、伸长率、模量和韧性提高8.4.3 Factors influencing tensile strength 影响高分子拉伸强度的因素46Orientation 取向q取向方向拉伸强度q垂直于取向方向模量拉伸强度模量高分子链沿外
26、力作用方向平行排列断裂时，破坏主价键的比例大大增加主价键的强度比范德华力的强度约高20倍范德华键破坏8.4.3 Factors influencing tensile strength 影响高分子拉伸强度的因素47Defects 缺陷q几何不连续 孔、空洞、缺口、沟槽、裂纹等q材质不连续 杂质的质点(催化剂、灰尘、填料)q载荷不连续 温度分布不均匀产生热应力材料受力时，缺陷附近的局部范围造成应力集中，材料受力时，缺陷附近的局部范围造成应力集中，严重降低严重降低拉拉伸强度伸强度8.4.3 Factors influencing tensile strength 影响高分子拉伸强度的因素48Def
27、ormation rate and temperature 应变速率与温度q链段运动是松弛过程，外力的作用使松弛时间下降若链段松弛时间 外力作用速率，可发生屈服，呈现韧性断裂若链段松弛跟不上外力作用速率，不发生屈服，呈脆性断裂应力活化能0.05 0.251.25 5 20Stress-strain curve of PSTensile rateIn/min8.4.3 Factors influencing tensile strength 影响高分子拉伸强度的因素q降低温度，与提高外力作用速率，有同样的效果q温度升高，材料变软、变韧q温度下降，材料变硬、变脆T Tg50T Tg温度对应力-应变
28、曲线的影响拉伸速率和温度对断裂点的影响温度拉伸速率49Brittle-ductile Transformation 脆韧转变屈服应力T屈服应力、断裂应力与温度和应变速率的关系断裂应力屈服应力断裂应力q材料从脆性断裂向韧性断裂的转变.脆韧转变点脆韧转变点l高温下、低拉伸速率下的韧性材料，在低温或高速率拉伸下会呈脆性l就材料增韧而言，提高低温韧性十分重要8.4.3 Factors influencing tensile strength 影响高分子拉伸强度的因素q随应变速率增加，脆韧转变移向高温 By ：脆性 yB 3y ：无缺口，韧性有缺口，脆性 B3y ：韧性脆性韧性50环境压力对PS应力-应
29、变曲线的影响(31C) PS在低环境压力(常压)下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低随环境压力升高，PS强度、伸长率变大，出现屈服l压力造成高分子自由体积降低 许多非晶聚合物，如PS、PMMA等，脆-韧转变与环境压力有关Pressure 压力l压力诱导脆-韧转变 8.4.3 Factors influencing tensile strength 影响高分子拉伸强度的因素518.4.4 Reinforcing of Polymers 高分子的增强q高分子材料的强度、模量 金属和陶瓷q作为结构材料使用时，需增强。最常用的方法，是加入增强材料(零维材料)粉 体 (炭黑、白炭黑；纳米粒子)(一维
30、材料)连续纤维(一维材料)短 纤 维 (含晶须)(二维材料)片状填料 (黏土、水滑石)52Particulate reinforcing 粒子增强q橡胶补强炭黑或白炭黑起交联点的作用橡橡 胶胶拉伸强度，拉伸强度，MPa未增强未增强增强增强非结晶性非结晶性硅橡胶硅橡胶*0.3413.7丁苯橡胶丁苯橡胶1.9619.0丁腈橡胶丁腈橡胶1.9619.6结晶性结晶性天然橡胶天然橡胶19.031.4氯丁橡胶氯丁橡胶14.725.0丁基橡胶丁基橡胶17.618.6* 白碳黑8.4.4 Reinforcing of Polymers 高分子的增强53Fiber reinforcing 纤维增强q聚合物基复合
31、材料 由两种或者以上材料复合所制得的材料l高分子基体为连续相，易发生粘弹变形和塑性流动，起粘结增强体、传递应力、增韧作用l纤维强度高，为分散相，起增强作用，承担材料使用中的各种载荷8.4.4 Reinforcing of Polymers 高分子的增强纤维拉伸强度纤维断裂应变时基体的应力纤维体积分数q复合材料的极限强度54几种结构材料的力学性能Fiber reinforcing 纤维增强8.4.4 Reinforcing of Polymers 高分子的增强55Short fiber reinforcing 短纤维增强q临界纤维长度纤维强度极限纤维断裂应变时基体的应力纤维体积分数qLLc时，复
32、合材料的极限强度纤维直径纤维拉伸强度基体剪切强度纤维长度增强效果与纤维的长度、纤维增强效果与纤维的长度、纤维- -高分子界面粘接力有关高分子界面粘接力有关8.4.4 Reinforcing of Polymers 高分子的增强568.5 Toughness of Polymers高分子的韧性高分子的韧性 57q常用冲击试验方法，有简支梁(Charpy)冲击(有/无缺口两种试样): 试样受冲击折断时， 单位截面积所吸收的能量悬臂梁(Izod) 冲击(有/无缺口两种试样): 单位缺口宽度所吸收的能量落重式冲击试验高速拉伸试验8.5.1 Impact strength 冲击强度表征材料韧性的一种强度
33、指标 bPIzod testCharpy testPdb冲断试样所消耗的功kJ/m2J/m58q内因q链结构q聚集态结构q分子间作用力qq外因q温度q应变速率q 8.5.2 Factor influencing toughness 影响高分子韧性的因素59极性氢键刚性交联支化韧性支化程度增加，分子间距增加，分子间作用力减小适度交联可有效增加分子链间的联系，使分子链不易发生相对滑移分子间作用力增加，阻碍链段运动，强迫高弹形变困难Chain structure 链结构8.5.2 Factor influencing toughness 影响高分子韧性的因素60Crystallization 结晶结
34、晶度球晶尺寸冲击强度l结晶度4060%，PE、PP等高结晶度材拉伸时发生屈服，断裂伸长率高，韧性好l结晶度进一步增大，材料变硬变脆，抗冲击韧性下降l原因：结晶使分子间相互作用增强，链段运动能力减弱。受冲击时，材料形变能力降低8.5.2 Factor influencing toughness 影响高分子韧性的因素61q垂直于取向方向，冲击强度升高q平行于取向方向，冲击强度降低q实际材料总是在最薄弱处首先破坏。因此，取向对材料的抗冲击性能是不利的Orientation 取向8.5.2 Factor influencing toughness 影响高分子韧性的因素62Defects 缺陷q受力时，
35、裂缝、孔隙、缺口、杂质等缺陷附近的局部范围产生应力集中，严重降低拉伸和冲击强度q大量的同类小缺陷可同时诱发大量空穴或银纹，吸收冲击能，反而有利于提高冲击强度 (你能举例吗？)8.5.2 Factor influencing toughness 影响高分子韧性的因素63q越接近Tg，韧性越大温度升高，材料变软变韧温度下降，材料变硬变脆8.5.2 Factor influencing toughness 影响高分子韧性的因素0.05 0.251.25 5 20Stress-strain curve of PSTensile rateIn/minT Tg50T Tg温度对应力-应变曲线的影响拉伸速率
36、和温度对断裂点的影响高韧性塑料p应变速率韧性链段松弛跟得上外力作用，韧性链段松弛跟不上外力作用，脆性Deformation rate and Temperature应变速与温度温度拉伸速率64q常用的方法弹性体增韧刚性有机粒子增韧超细无机粒子增韧8.5.3 Toughening of polymers 高分子的增韧65Rubber toughening 橡胶增韧增强橡胶增韧塑料橡胶塑料q达到良好增韧效果的条件橡胶相以分散相存在橡胶相与塑料相有良好的界面粘接力橡胶相Tg 使用温度与橡胶类嵌段共聚、接枝共聚，或物理共混，可大幅度改善脆性塑料的韧性丁二烯与苯乙烯共聚，得HIPS；CPE与PVC共混，
37、得硬PVC韧性体，均使基体抗冲强度提高几倍至几十倍增韧效果取决于分散增韧效果取决于分散相大小、界面粘接力，相大小、界面粘接力，即两者相容性即两者相容性8.5.3 Toughening of polymers 高分子的增韧66n(wt)Impact Strength(KJ/m2)Tensile Strength(MPa)Elongation at Break (%)Tensile Modulus(MPa)Bending Strength(MPa)Bending Modulus (MPa)01.2942.05.88.5044.3455.651.3631.07.66.0139.6388.5101.5
38、326.810.94.9434.5307.2152.1421.49.44.7530.1250.1202.5420.517.03.6427.9224.3251.8420.310.63.8725.5199.8PS/EPDM (85/n) binary blends 8.5.3 Toughening of polymers 高分子的增韧Rubber toughening 橡胶增韧n(wt)Impact Strength(KJ/m2)Tensile Strength(MPa)Elongation at Break (%)Tensile Modulus(MPa)Bending Strength(MPa)
39、Bending Modulus (MPa)02.0337.16.58.6927.5262.953.0731.57.57.7835.9257.3106.2327.66.56.8433.6249.81511.224.86.96.0630.6230.42022.521.210.67.9525.7217.52526.318.438.94.4424.0206.5PS/EPDM/SBS (85/n/10) ternary blends67氰酸酯树脂 /端羧基丁二烯-丙烯腈共聚物 Impact strength of pure CE and CE/CTBN blendsToughening effect i
40、ncreaes with increasing AN contentTEM micrographs of CE/CTBN (100/10) blends The domain size decreases with increasing AN content10018268.5.3 Toughening of polymers 高分子的增韧Rubber toughening 橡胶增韧68l观点一：橡胶粒子本身吸收能量，橡胶横跨于裂纹两端，阻止裂纹扩展 形变过程中橡胶粒子吸收的能量很少，约占总吸收能量的10%，大部分能量是被基体连续相吸收的l观点二：形变时橡胶粒子收缩，诱使塑料基体Tg下降 橡胶
41、收缩所引起的Tg下降仅10左右，不足以引起脆性塑料在室温下发生屈服Mechanism of rubber toughening 橡胶增韧机理8.5.3 Toughening of polymers 高分子的增韧l观点三：多重银纹机理根据Griffith理论，断裂能否进行，取决于弹性储能、断裂所产生表面的表面能的相对大小若只有少数银纹，应力集中使银纹很快发展为裂缝，并迅速扩展，较低的力就使材料破坏橡胶相起应力集中体的作用，受冲击时诱发大量银纹(微裂纹)，吸收大量能量，从而起增韧作用大量银纹存在时，应力场相互干扰，使银纹端部应力减小，且银纹端部发展到橡胶粒子时也被终止ABS中橡胶粒子引发银纹的电镜
42、照片，黑粒子为橡胶相橡胶粒子变形，造成应力集中，引发银纹69q剪切屈服机理橡胶分散相在塑料相中建立了静水张应力，使塑料相自由体积增大，Tg降低(?)，产生剪切滑移变形橡胶分散为应力集中体，促使周围基体发生屈服银纹-剪切带协同机理引发大量银纹(应力发白)、剪切屈服带，吸收变形能剪切带可诱发和终止银纹，两者可产生协同效应高抗冲PS，橡胶粒子引发PS产生银纹8.5.3 Toughening of polymers 高分子的增韧Mechanism of rubber toughening 橡胶增韧机理l观点三：多重银纹机理70纤维，可提高热固性树脂及脆性高分子基体韧性l纤维可承担缺口附近大部分负荷，使
43、应力分散到更大面积上l纤维脱黏、拔出，可吸收冲击能，防止微裂纹发展成裂缝脆性基体中纤维对裂纹尖区的影响Wd纤维脱黏能，Ws纤维滑动能，Wp纤维拔出能，Wmr基体脆断能韧性基体中纤维对裂纹尖区的影响Wd纤维黏脱能，Ws纤维滑动能，Wp纤维拔出能，Wmr基体断裂能，Wm基体塑性变形能 Fiber toughening 纤维增韧8.5.3 Toughening of polymers 高分子的增韧71qROF具有既增强又增韧的效果qROF增韧的前提基体本身是韧性的界面粘接力强PCASPC/ABSABSPC/ASROF toughing 刚性有机粒子增韧Toughening of PC with AS
44、 and ABSl变形时，若两相粘接力强，而基体又不产生银纹，则给ROF颗粒很大的静压力，使颗粒随之变形l不论颗粒本身是脆性的还是韧性的，在静压力下表现为韧性lROF刚性很大，变形时吸收大量能量，从而提高材料的断裂能8.5.3 Toughening of polymers 高分子的增韧72l在PS等脆性材料中，添加CaCO3之类的粉状填料，往往使材料韧性下降 填料粒子相当于缺陷，还有应力集中作用，均加速材料的破坏l在某些塑料中添加少量经表面处理的微细无机粒子，有增韧作用，如PVC+CaCO3Toughing by inorginic particles？无机粒子增韧？刚性粒子增韧的条件是：基体
45、必须具有一定韧性8.5.3 Toughening of polymers 高分子的增韧73？ProjectUnitPVC-UNano-PVCTensile strengthMPa43.344.6Youngs modulusGPa4.955.36Izod impact strengthJ/m73.5111.4Toughing by Nano-filler 纳米粒子增韧8.5.3 Toughening of polymers 高分子的增韧74非晶高分子的力学行为l基本概念： 屈服、缩颈、冷拉、变硬化 杨氏模量、拉伸强度、断裂能 银纹、剪切带(区别? 韧性玻璃态高分子吸收能力的两种主要模式) 脆韧转
46、变温度的影响(脆-韧转变)T Tg 脆性断裂、形变小T Tg 不出现屈服点，形变大拉伸速率的影响(脆-韧转变)拉伸速率，相当于温度，断裂强度，断裂伸长率受迫高弹(韧性)形变，by在大应力作用下，有些玻璃态(TbTTg)高分子能产生大形变(高弹形变)产生原因：应力使链段运动松弛时间，促进链段在作用力方向上的运动温度拉伸速率75结晶高分子的力学行为低于Tg到Tm，出现一个或几个细颈(缩颈)，逐渐发展至整个试样，拉伸过程中应力基本不变(冷拉)依次经历弹性变形、屈服、发展大形变以及应变硬化等阶段(分子运动单元？)冷拉可能包含有结晶的破坏、取向和再结晶等过程球晶尺寸大、结晶度高，强度高、延伸率低，韧性差
47、76化学键破坏分子间滑脱(解缠结)次价力破坏(范德化力、氢键解离)拉伸强度分子结构的影响增加分子链间作用力、引入极性基团和形成氢键的基团、引入刚性链结构，拉伸强度结晶、取向和交联结晶，分子间排列紧密，分子间作用力 ，拉伸强度取向，分子链协同作用，取向方向拉伸强度；横向方向拉伸强度(范德华破坏)适度交联，分子间作用力，拉伸强度；过度交联，变脆共聚和共混 加和律，正偏差、负偏差增塑 分子间作用，拉伸强度填料 惰性填料(CaCO3等)：降低成本，拉伸强度 活性填料：拉伸强度拉伸温度 温度，拉伸强度拉伸速度 速度 ，屈服强度、拉伸强度77韧性分子间的作用力增加，阻碍链段运动，强迫高弹形变困难，韧性差支
48、化：韧性提高结晶性: 高弹态下，结晶使冲击强度；结晶度、球晶尺寸，冲击强度 玻璃态下，结晶使冲击强度加载速度：若链段松弛时间与加载速率相适应，材料断裂前发生屈服，韧性提高填 料: 纤维状填料，冲击强度 粉状填料，一般使冲击强度温 度: 热塑性塑料，在 Tg附近 ，温度，冲击强度 热固性塑料，温度影响不明显增塑剂: 冲击强度，但拉伸强度高分子的增韧高分子的增韧n分散的橡胶相起应力集中作用，诱发大量的银纹(微裂纹)，吸收大量能量n应力场相互干扰，降低银纹端部的应力集中78Define the following termsTensile strength Impact strengthCraze Craze yieldingShear yieldingCold draw79
