第6章高聚物的力學強度

1、第第6章章 高分子材料的力學強度及破壞高分子材料的力學強度及破壞 本章主要內容本章主要內容第第1節(jié)節(jié) 高分子材料的應力高分子材料的應力-應變特性應變特性 11 應力應變曲線及其類型應力應變曲線及其類型 12 影響應力影響應力-應變行為的外部因素應變行為的外部因素 13 關于屈服變形的討論關于屈服變形的討論 14 強迫高彈形變與強迫高彈形變與“冷拉伸冷拉伸”第第2節(jié)節(jié) 高分子材料的破壞和強度高分子材料的破壞和強度 21 宏觀破壞方式宏觀破壞方式 22 關于斷裂過程的討論關于斷裂過程的討論 23 高分子材料的強度高分子材料的強度 24 高分子材料的增強改性高分子材料的增強改性第第3節(jié)節(jié) 聚合物斷裂

2、力學聚合物斷裂力學 31 線彈性斷裂力學線彈性斷裂力學 32 彈塑性斷裂理論，彈塑性斷裂理論，J 積分積分第第4節(jié)節(jié) 高分子材料的抗沖擊性能和增韌改性高分子材料的抗沖擊性能和增韌改性 41 抗沖擊強度抗沖擊強度 42 影響抗沖擊性能的因素影響抗沖擊性能的因素 43 高分子材料的增韌改性高分子材料的增韌改性 第第1節(jié)節(jié) 高分子材料的應力高分子材料的應力-應變特性應變特性 11 應力應變曲線及其類型 111 單軸拉伸實驗單軸拉伸實驗 圖圖6-1 啞鈴型標準試樣示意圖啞鈴型標準試樣示意圖 （6-2）0AF000lllll（6-1）注意此處定義的應力注意此處定義的應力等于拉力除以試樣原始截面積等于拉力

3、除以試樣原始截面積A0，這種應力稱為這種應力稱為工程應力工程應力或標稱應力（或標稱應力（nominal stress）；）；相應地，相應地， 稱為稱為工程應變工程應變或標稱應變（或標稱應變（nominal strainnominal strain） 圖圖7-2 典型的拉伸應力典型的拉伸應力-應變曲線應變曲線 典型高分子材料拉伸應力典型高分子材料拉伸應力-應變曲線應變曲線（2 2）極大值）極大值Y點稱材料的屈服點，其對應的應力、應變分別稱屈服應力（或屈服點稱材料的屈服點，其對應的應力、應變分別稱屈服應力（或屈服強度）強度） 和屈服應變和屈服應變 。yy（3 3）到達）到達B點發(fā)生斷裂。與點發(fā)生斷

4、裂。與B點對應的應力、應變分別稱材料的拉伸強度（或斷點對應的應力、應變分別稱材料的拉伸強度（或斷裂強度）裂強度） 和斷裂伸長率和斷裂伸長率 ，它們是材料發(fā)生破壞的極限強度和極限，它們是材料發(fā)生破壞的極限強度和極限伸長率。伸長率。 BBBdW0（4）曲線下的面積等于）曲線下的面積等于（7-3）相當于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，單位為相當于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，單位為Jm-3，稱斷裂能或斷裂功。它是，稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個物理量。表征材料韌性的一個物理量。 曲線特征曲線特征（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應力段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應力- -應變呈直線

5、關系變化，應變呈直線關系變化，直線斜率直線斜率 相當于材料彈性模量。相當于材料彈性模量。 Edd 由于高分子材料種類繁多，實際得到的材料應力應變曲線具有多種形由于高分子材料種類繁多，實際得到的材料應力應變曲線具有多種形狀。歸納起來，可分為五類狀。歸納起來，可分為五類 。圖圖7-3 高分子材料應力高分子材料應力-應應變曲線的類型變曲線的類型（a）硬而脆型）硬而脆型（b）硬而強型）硬而強型（c）硬而韌型）硬而韌型（d）軟而韌型）軟而韌型（e）軟而弱型）軟而弱型 曲線的類型曲線的類型 （a） （b）虛線為工程應力曲線；實線為真應力曲線）虛線為工程應力曲線；實線為真應力曲線圖圖6-4 （a）圓柱形壓縮

6、實驗樣品；（）圓柱形壓縮實驗樣品；（b）聚碳酸酯的拉伸和壓縮應力）聚碳酸酯的拉伸和壓縮應力-應變曲線應變曲線 對比看出壓縮強度往往大于拉伸強度。對拉伸實驗，工程應力曲線比真應力曲線低；對比看出壓縮強度往往大于拉伸強度。對拉伸實驗，工程應力曲線比真應力曲線低；對壓縮實驗，工程應力曲線比真應力曲線高。對壓縮實驗，工程應力曲線比真應力曲線高。 112 單軸壓縮實驗單軸壓縮實驗 121 溫度的影響溫度的影響圖圖7-4 聚甲基丙烯酸甲酯的應力聚甲基丙烯酸甲酯的應力-應變應變曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下） 環(huán)境溫度對高分子材料拉伸行為的環(huán)境溫度對高分子材料拉伸行為的影響十分顯

7、著。溫度升高，分子鏈段影響十分顯著。溫度升高，分子鏈段熱運動加劇，松弛過程加快，表現(xiàn)出熱運動加劇，松弛過程加快，表現(xiàn)出材料模量和強度下降，伸長率變大，材料模量和強度下降，伸長率變大，應力應變曲線形狀發(fā)生很大變化。應力應變曲線形狀發(fā)生很大變化。 材料的拉伸斷裂強度材料的拉伸斷裂強度 和屈和屈服強度服強度 隨環(huán)境溫度而發(fā)生變隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化。屈服強度受溫度變化的影響更化。屈服強度受溫度變化的影響更大些。大些。 By12 影響應力影響應力-應變行為的外部因素應變行為的外部因素 圖圖7-5 斷裂強度斷裂強度和屈服強度隨溫度的變化趨勢和屈服強度隨溫度的變化趨勢 虛線虛線高拉伸速率高拉伸速率 實線實線

8、低拉伸速率低拉伸速率 在溫度升高過程中，材料發(fā)生在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆脆-韌轉變。兩曲線交點對應的韌轉變。兩曲線交點對應的溫度稱溫度稱脆脆-韌轉變溫度韌轉變溫度 。 tT 當環(huán)境溫度小于當環(huán)境溫度小于 時，材料時，材料的的 ，受外力作用時，受外力作用時，材料未屈服前先已斷裂，呈脆性材料未屈服前先已斷裂，呈脆性斷裂特征。斷裂特征。 tTBy 環(huán)境溫度高于環(huán)境溫度高于 時，時， ，受外力作用時，材料先屈服，出現(xiàn)細頸和很大受外力作用時，材料先屈服，出現(xiàn)細頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。 tTBy材料的材料的脆脆-韌轉變韌轉變122 形變速率的影響形變速率的影

9、響 減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對材料拉伸行為有相似的影響，這是時減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對材料拉伸行為有相似的影響，這是時-溫等效原理在高分子力學行為中的體現(xiàn)。溫等效原理在高分子力學行為中的體現(xiàn)。 B圖圖7-6 斷裂強度和屈服強度隨拉伸速率的變化趨勢斷裂強度和屈服強度隨拉伸速率的變化趨勢實線低環(huán)境溫度 虛線高環(huán)境溫度y 與脆與脆-韌轉變溫度相似，根據韌轉變溫度相似，根據圖中兩曲線交點，可以定義脆圖中兩曲線交點，可以定義脆-韌轉變（拉伸）速率韌轉變（拉伸）速率 。拉。拉伸速率高于伸速率高于 時，材料呈脆時，材料呈脆性斷裂特征；低于性斷裂特征；低于 時，呈時，呈韌性斷裂特征。韌性斷裂特征。 tt

10、t 拉伸速率對材料的斷裂強度拉伸速率對材料的斷裂強度 和屈服強度和屈服強度 也有明顯影響也有明顯影響 。123 環(huán)境壓力的影響環(huán)境壓力的影響 圖圖7-7 聚苯乙烯的應力聚苯乙烯的應力-應變曲線應變曲線隨環(huán)境壓力的變化（隨環(huán)境壓力的變化（T=31） 右圖可見，右圖可見，PSPS在低環(huán)境壓力（常壓）在低環(huán)境壓力（常壓）下呈脆性斷裂特點，強度與斷裂伸長下呈脆性斷裂特點，強度與斷裂伸長率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料強度增高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈強度增高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆- -韌轉變。韌轉變。 研究發(fā)現(xiàn)，對許多非晶聚合物，研究

11、發(fā)現(xiàn)，對許多非晶聚合物，如如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韌轉變韌轉變行為還與環(huán)境壓力有關。行為還與環(huán)境壓力有關。兩種轉變方式有很大差別。溫度升高使材料變兩種轉變方式有很大差別。溫度升高使材料變韌，但同時材料拉伸強度明顯受損。另一方面，韌，但同時材料拉伸強度明顯受損。另一方面，升高環(huán)境壓力也使材料變韌，在增韌同時材料升高環(huán)境壓力也使材料變韌，在增韌同時材料的強度也得到提高，材料變得強而韌。的強度也得到提高，材料變得強而韌。 兩種脆兩種脆- -韌轉變的差別韌轉變的差別1）剪切屈服）剪切屈服 圖圖6-11 拉力作用下聚碳酸酯試樣中產生拉力作用下聚碳酸酯試樣中產生“頸縮頸縮”和剪切屈服帶的照片和剪

12、切屈服帶的照片注意剪切屈服帶與應力方向成注意剪切屈服帶與應力方向成45度角，出現(xiàn)剪切屈服帶的區(qū)域開始出現(xiàn)度角，出現(xiàn)剪切屈服帶的區(qū)域開始出現(xiàn)“頸縮頸縮” 剪切屈服是最重要的屈服形式。拉伸應力剪切屈服是最重要的屈服形式。拉伸應力-應變實驗中，試樣發(fā)生屈服時在試樣應變實驗中，試樣發(fā)生屈服時在試樣中部經常出現(xiàn)中部經常出現(xiàn)“頸縮頸縮”（neck-down）現(xiàn)象，頸縮處出現(xiàn)與拉伸方向大約成）現(xiàn)象，頸縮處出現(xiàn)與拉伸方向大約成45角的肩形斜面。角的肩形斜面。 剪切屈服時材料內部的微結構，包括晶區(qū)、分子束、分子鏈都會沿剪切方向發(fā)生相剪切屈服時材料內部的微結構，包括晶區(qū)、分子束、分子鏈都會沿剪切方向發(fā)生相對滑移，

13、消耗大量變形能。在壓縮形變、彎曲形變屈服時，材料內部都可能發(fā)生剪對滑移，消耗大量變形能。在壓縮形變、彎曲形變屈服時，材料內部都可能發(fā)生剪切屈服。剪切屈服時材料宏觀體積不變。切屈服。剪切屈服時材料宏觀體積不變。13 關于屈服變形的討論 2）拉伸屈服）拉伸屈服 （a） （b）圖圖6-12 結晶聚合物的拉伸屈服結晶聚合物的拉伸屈服a, 聚丙烯試樣中球晶間出現(xiàn)微細纖維（聚丙烯試樣中球晶間出現(xiàn)微細纖維（SEM照片）照片）b, 聚氨聚氨酯試樣中沿球晶邊緣出現(xiàn)空洞（薄膜試樣，酯試樣中沿球晶邊緣出現(xiàn)空洞（薄膜試樣，TEM照片）照片） 拉伸屈服指在外力作用下，材拉伸屈服指在外力作用下，材料內部垂直于外力作用方向

14、出料內部垂直于外力作用方向出現(xiàn)微結構的撕裂、掙脫、位移，現(xiàn)微結構的撕裂、掙脫、位移，消耗變形能。伴隨拉伸屈服，消耗變形能。伴隨拉伸屈服，材料內部或表面出現(xiàn)微細裂紋，材料內部或表面出現(xiàn)微細裂紋，稱銀紋（稱銀紋（craze）；也可能出）；也可能出現(xiàn)微小空洞（現(xiàn)微小空洞（cavity），使表），使表觀體積變大。觀體積變大。 拉伸屈服也存在于彎曲形變中，試樣彎曲時在表面伸展的一側常常出現(xiàn)大量銀紋。拉伸屈服也存在于彎曲形變中，試樣彎曲時在表面伸展的一側常常出現(xiàn)大量銀紋。 141 非晶高分子材料的強迫高彈形變非晶高分子材料的強迫高彈形變 圖圖7-4 聚甲基丙烯酸甲酯的應力聚甲基丙烯酸甲酯的應力-應變應變曲

15、線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下） 研究高聚物拉伸破壞行為時，特別要注研究高聚物拉伸破壞行為時，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情形。形。對于非晶聚合物，當環(huán)境溫度處于對于非晶聚合物，當環(huán)境溫度處于 時，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈時，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結，但在恰當速率下拉伸，材料仍能段凍結，但在恰當速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形，這種變形稱強發(fā)生百分之幾百的大變形，這種變形稱強迫高彈形變。迫高彈形變。 bTTgT討論討論14 強迫高彈形變與強迫高彈形變與“冷拉伸冷拉伸” 圖圖7-8 結晶聚合物在不同溫度下的應

16、力結晶聚合物在不同溫度下的應力-應應變曲線變曲線 結晶聚合物也能產生強迫高結晶聚合物也能產生強迫高彈變形，這種形變稱彈變形，這種形變稱“冷拉冷拉伸伸”。結晶聚合物具有與非晶。結晶聚合物具有與非晶聚合物相似的拉伸應力應變聚合物相似的拉伸應力應變曲線，見圖曲線，見圖7-87-8。 圖中當環(huán)境溫度低于熔點時圖中當環(huán)境溫度低于熔點時（ ），雖然晶區(qū)尚未熔融，），雖然晶區(qū)尚未熔融，材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見圖中材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見圖中曲線曲線3、4、5。 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱“冷拉伸冷拉伸”。 TmT討論討論 142 晶態(tài)高分子材料的晶態(tài)高分子材料的“冷拉伸冷拉伸” 21 宏觀破壞方式宏觀破壞

17、方式2 1 1 拉伸斷裂拉伸斷裂脆性斷裂和韌性斷裂表面脆性斷裂和韌性斷裂表面 圖圖7-11 PS7-11 PS試樣脆性斷裂表面的電鏡照片試樣脆性斷裂表面的電鏡照片圖圖7-12 7-12 增韌改性增韌改性PVCPVC韌性斷裂表面韌性斷裂表面的電鏡照片的電鏡照片 第第2節(jié)節(jié) 高分子材料的破壞和強度高分子材料的破壞和強度圖6-21 沖擊試樣斷裂表面的普通光學照片。左圖：脆性試樣；右圖：韌性試樣圖6-22 左圖脆性試樣沖擊斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣沖擊斷裂表面的電鏡照片2 1 2 沖擊斷裂沖擊斷裂2 1 3 疲勞和磨損破壞疲勞和磨損破壞材料的耐疲勞和耐磨損能力決定著材料的使用壽命。材料的耐疲勞和

18、耐磨損能力決定著材料的使用壽命。疲勞（疲勞（fatigue）是指材料在長時間周期性應力（或應變）作用下發(fā)生）是指材料在長時間周期性應力（或應變）作用下發(fā)生塑性形變、軟化乃至損壞、斷裂的現(xiàn)象。塑性形變、軟化乃至損壞、斷裂的現(xiàn)象。磨損（磨損（friction wear）是指材料在相互接觸的摩擦運動中，表層發(fā)熱、）是指材料在相互接觸的摩擦運動中，表層發(fā)熱、黏附、損傷、發(fā)生宏觀材料剝落的現(xiàn)象。黏附、損傷、發(fā)生宏觀材料剝落的現(xiàn)象。從材料學角度看，疲勞和磨損是材料在長期動態(tài)應力作用下，內部或表面產生力化從材料學角度看，疲勞和磨損是材料在長期動態(tài)應力作用下，內部或表面產生力化學反應，引發(fā)產生微細損傷，造成分

19、子鏈斷裂、交聯(lián)、結晶粒子微細化等，形成微學反應，引發(fā)產生微細損傷，造成分子鏈斷裂、交聯(lián)、結晶粒子微細化等，形成微細裂紋，而后裂紋再逐漸擴展生長，最終導致宏觀破壞的過程。細裂紋，而后裂紋再逐漸擴展生長，最終導致宏觀破壞的過程。 疲勞和磨損過程均伴隨顯著的熱效應。疲勞和磨損過程均伴隨顯著的熱效應。疲勞和磨損的機理十分復雜，需要時請閱讀有關專著。疲勞和磨損的機理十分復雜，需要時請閱讀有關專著。22 關于斷裂過程的討論關于斷裂過程的討論221 材料的脆性斷裂和韌性屈服材料的脆性斷裂和韌性屈服圖圖7-13 拉伸試樣內斜拉伸試樣內斜截面上的應力分布截面上的應力分布 設試樣橫截面積為設試樣橫截面積為 A0

20、，作用于其上的拉力為，作用于其上的拉力為F，可以求得，可以求得在試樣內部任一斜截面在試樣內部任一斜截面 上的法向應力上的法向應力 和切向應和切向應力力 : : AntsincosFFFFtncos/0AA 20200coscoscos/cos/AFAFAFnn2sin21cossincos/sin/000AFAFAFtt 在不同角度的斜截面在不同角度的斜截面 上，法向應力上，法向應力 和切向應力和切向應力 值不值不同。由公式得知，在斜角同。由公式得知，在斜角= 0 的截面上（橫截面），法向應力的值最的截面上（橫截面），法向應力的值最大；在大；在= 45 的截面上，切向應力值最大。的截面上，切向

21、應力值最大。 Ant圖圖7-14 法向應力與切向應力隨斜截面的變化法向應力與切向應力隨斜截面的變化討論討論 本質上，法向應力本質上，法向應力 與材料的抗拉伸能力有關，而抗拉伸能力極限與材料的抗拉伸能力有關，而抗拉伸能力極限值主要取決于分子主鏈的強度（鍵能）。因此材料在值主要取決于分子主鏈的強度（鍵能）。因此材料在 作用下發(fā)生破壞作用下發(fā)生破壞時，往往伴隨主鏈的斷裂。時，往往伴隨主鏈的斷裂。tn 切向應力切向應力 與材料的抗剪切能力相關，極限值主要取決于分子間內聚力。材與材料的抗剪切能力相關，極限值主要取決于分子間內聚力。材料在料在 作用下發(fā)生屈服時，往往發(fā)生分子鏈的相對滑移（圖作用下發(fā)生屈服時

22、，往往發(fā)生分子鏈的相對滑移（圖7-15）。）。圖圖7-15 垂直應力下的分子鏈斷裂（垂直應力下的分子鏈斷裂（a）和剪切應力下的分子鏈滑移（）和剪切應力下的分子鏈滑移（b）nt 在外力場作用下，材料在外力場作用下，材料內部的應力分布與應力內部的應力分布與應力變化十分復雜，斷裂和變化十分復雜，斷裂和屈服都有可能發(fā)生，處屈服都有可能發(fā)生，處于相互競爭狀態(tài)。于相互競爭狀態(tài)。討論討論圖圖6-26 薄板中橢圓型孔洞的應薄板中橢圓型孔洞的應力集中效應示意圖力集中效應示意圖設二維無限大薄板上有一個橢圓形孔洞設二維無限大薄板上有一個橢圓形孔洞（a， ），薄板在橢圓短軸方向受到一），薄板在橢圓短軸方向受到一拉伸應

23、力拉伸應力 ，則在孔洞長軸的尖端區(qū)，則在孔洞長軸的尖端區(qū)將因應力集中效應而承受高達幾倍乃至幾將因應力集中效應而承受高達幾倍乃至幾十倍的巨大應力十倍的巨大應力 （與（與 平行）。平行）。 0tip00/tiptK tK稱應力集中系數(shù)。稱應力集中系數(shù)。 /2/21aaKt經驗證明對多數(shù)材料而言，其臨界抗拉伸強度（理論內聚強度）約為楊氏模量經驗證明對多數(shù)材料而言，其臨界抗拉伸強度（理論內聚強度）約為楊氏模量E的的1/15，因此一個存在裂紋缺陷的材料的最高預期強度，因此一個存在裂紋缺陷的材料的最高預期強度 為：為：exp15/2expEaKttipaE30exp222 裂紋的應力集中效應裂紋的應力集中

24、效應斷裂過程斷裂過程 微裂紋引發(fā)（成核）微裂紋引發(fā)（成核） 裂紋擴展成裂縫裂紋擴展成裂縫裂縫生長引起斷裂裂縫生長引起斷裂從分子水平看，出現(xiàn)裂紋必然產生新表面，產生的原因有二：一是拉力造成主價鍵從分子水平看，出現(xiàn)裂紋必然產生新表面，產生的原因有二：一是拉力造成主價鍵破壞，使分子鏈斷裂；二是剪切造成次價鍵破壞，分子鏈發(fā)生相對滑移。破壞，使分子鏈斷裂；二是剪切造成次價鍵破壞，分子鏈發(fā)生相對滑移。 1 1，某分子鏈處于高應力狀態(tài)；，某分子鏈處于高應力狀態(tài)；2，鏈斷裂，形成鏈端自由基；，鏈斷裂，形成鏈端自由基；3，自由基反應，形成主鏈自由基；，自由基反應，形成主鏈自由基；4，帶自由基的主鏈斷裂，繼續(xù)反應

25、；，帶自由基的主鏈斷裂，繼續(xù)反應；5，多次重復，形成一個亞微觀裂紋，多次重復，形成一個亞微觀裂紋鏈端自由基；鏈端自由基；主鏈自由基；主鏈自由基；穩(wěn)定的端基穩(wěn)定的端基 圖圖7-16 7-16 ZhurkovZhurkov力化學力化學反應模型反應模型223 斷裂的分子理論斷裂的分子理論231 理論強度和實際強度理論強度和實際強度 對碳鏈聚合物，已知對碳鏈聚合物，已知CC鍵能約為鍵能約為350kJmol-1，相當于每鍵的鍵能為，相當于每鍵的鍵能為56x1019J。這些能量可近似看作為克服成鍵的原子引力這些能量可近似看作為克服成鍵的原子引力 ，將兩個，將兩個C原子分離到鍵長的距離原子分離到鍵長的距離

26、所所做的功做的功 。CC鍵長鍵長 ，由此算出一個共價鍵力，由此算出一個共價鍵力 為為 fdWnmd154. 0NdWf91043（7-9） 由由X射線衍射實驗測材料的晶胞參數(shù)，可求得大分子鏈橫截面積。如求得聚乙烯射線衍射實驗測材料的晶胞參數(shù)，可求得大分子鏈橫截面積。如求得聚乙烯分子鏈橫截面為分子鏈橫截面為 ，由此得到高分子材料的理論強度為：，由此得到高分子材料的理論強度為： 22001020mS 理論強度是人們從化學結構可能期望的材料極限強度，由于高分子材料的破理論強度是人們從化學結構可能期望的材料極限強度，由于高分子材料的破壞是由化學鍵斷裂引起的，因此可從拉斷化學鍵所需作的功計算其理論強度。

27、壞是由化學鍵斷裂引起的，因此可從拉斷化學鍵所需作的功計算其理論強度。 實際上高分子材料的強度比理論強度小得多，僅為幾個到幾十個實際上高分子材料的強度比理論強度小得多，僅為幾個到幾十個MPa。MPatheo4.10)25 . 1 (23 高分子材料的強度高分子材料的強度 1）分子量的影響）分子量的影響 分子量是對高分子材料力學性能分子量是對高分子材料力學性能（包括強度、彈性、韌性）起決定（包括強度、彈性、韌性）起決定性作用的結構參數(shù)。低分子有機化性作用的結構參數(shù)。低分子有機化合物一般沒有力學強度，高分子材合物一般沒有力學強度，高分子材料要獲得強度，必須具有一定聚合料要獲得強度，必須具有一定聚合度

28、，使分子間作用力足夠大才行。度，使分子間作用力足夠大才行。圖圖6-29 PS、HDPE和和LDPE的拉伸強度與的拉伸強度與分子量的關系分子量的關系 超過最低聚合度后，隨分子量增大材料超過最低聚合度后，隨分子量增大材料強度逐步增大。但當分子量相當大，致強度逐步增大。但當分子量相當大，致使分子間次價鍵作用的總和超過了主鏈使分子間次價鍵作用的總和超過了主鏈化學鍵能時，材料強度將主要取決于化化學鍵能時，材料強度將主要取決于化學鍵能的大小，這時強度不再依賴分子學鍵能的大小，這時強度不再依賴分子量而變化量而變化。另外，分子量分布對材料強度的影響不大。另外，分子量分布對材料強度的影響不大。232 影響斷裂強

29、度的因素影響斷裂強度的因素 2）分子鏈結構的影響）分子鏈結構的影響 從主鏈結構看，含芳雜環(huán)結構的材料強度和模量要高于脂肪族主鏈材料。從主鏈結構看，含芳雜環(huán)結構的材料強度和模量要高于脂肪族主鏈材料。 OCCONHNHn芳香尼龍芳香尼龍 NH CH2 CO5尼龍尼龍 -6從分子間相互作用看，極性聚合物及容易產生分子間或分子內氫鍵的聚合物，從分子間相互作用看，極性聚合物及容易產生分子間或分子內氫鍵的聚合物，力學強度較高。力學強度較高。 分子量相當時，支化聚合物力學強度比線形聚合物低。分子量相當時，支化聚合物力學強度比線形聚合物低。聚氯乙烯：聚氯乙烯：4050MPa 聚乙烯：聚乙烯：1530MPa 如

30、支化的如支化的LDPE的拉伸強度低于線形的的拉伸強度低于線形的HDPE3）結晶及取向的影響）結晶及取向的影響 表表7-2 聚乙烯的斷裂性能與結晶度的關系聚乙烯的斷裂性能與結晶度的關系MPa結晶度結晶度 / 65758595斷裂強度斷裂強度 /14.4182540斷裂伸長率斷裂伸長率 / 50030010020 一般影響規(guī)律是：一般影響規(guī)律是： 1 1、隨著結晶度上升，材料的屈服強度、斷裂強度、硬度、彈性模量均提、隨著結晶度上升，材料的屈服強度、斷裂強度、硬度、彈性模量均提高，但斷裂伸長率和韌性下降。這是由于結晶使分子鏈排列緊密有序，孔高，但斷裂伸長率和韌性下降。這是由于結晶使分子鏈排列緊密有序

31、，孔隙率低，分子間作用增強所致。隙率低，分子間作用增強所致。 2 2、晶粒尺寸和晶體結構對材料強度的影響更大。均勻小球晶能使材料的強、晶粒尺寸和晶體結構對材料強度的影響更大。均勻小球晶能使材料的強度、伸長率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長和韌性下降。度、伸長率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長和韌性下降。3 3、晶體形態(tài)對聚合物拉伸強度的影響規(guī)律是，同一聚合物，伸直鏈晶體的、晶體形態(tài)對聚合物拉伸強度的影響規(guī)律是，同一聚合物，伸直鏈晶體的拉伸強度最大，串晶次之，球晶最小。拉伸強度最大，串晶次之，球晶最小。4）交聯(lián)的影響）交聯(lián)的影響 隨交聯(lián)程度提高，橡膠材料的隨交聯(lián)程度提高，橡膠

32、材料的拉伸模量和強度都大大提高，達拉伸模量和強度都大大提高，達到極值強度后，又趨于下降；斷到極值強度后，又趨于下降；斷裂伸長率則連續(xù)下降。裂伸長率則連續(xù)下降。 熱固性樹脂，由于分子量很低，熱固性樹脂，由于分子量很低，如果不進行交聯(lián)，幾乎沒有強度如果不進行交聯(lián)，幾乎沒有強度（液態(tài)）。固化以后，分子間形（液態(tài)）。固化以后，分子間形成密集的化學交聯(lián)，使斷裂強度成密集的化學交聯(lián)，使斷裂強度大幅度提高。大幅度提高。 圖圖6-20 橡膠的拉伸強度與交聯(lián)劑用量的橡膠的拉伸強度與交聯(lián)劑用量的關系關系適度交聯(lián)對于彈性體及熱固性樹脂力學性能的提高至關重要。對于大多數(shù)適度交聯(lián)對于彈性體及熱固性樹脂力學性能的提高至關

33、重要。對于大多數(shù)彈性體而言，交聯(lián)是加工成型工藝中的關鍵步驟。通過交聯(lián)使分子鏈聯(lián)結彈性體而言，交聯(lián)是加工成型工藝中的關鍵步驟。通過交聯(lián)使分子鏈聯(lián)結成網，既增大分子量，又增強分子鏈間相互作用，使材料拉伸性能、彈性、成網，既增大分子量，又增強分子鏈間相互作用，使材料拉伸性能、彈性、抗蠕變能力大大提高?？谷渥兡芰Υ蟠筇岣?。 5）溫度與形變速率的影響溫度與形變速率的影響圖圖7-5 斷裂強度斷裂強度和屈服強度隨溫度的變化趨勢和屈服強度隨溫度的變化趨勢 虛線虛線高拉伸速率高拉伸速率 實線實線低拉伸速率低拉伸速率 圖圖7-6 斷裂強度和屈服強度隨拉伸速率的變化趨勢斷裂強度和屈服強度隨拉伸速率的變化趨勢實線低環(huán)

34、境溫度 虛線高環(huán)境溫度對屈服強度的影響更大一些。對屈服強度的影響更大一些。241 粉料填充增強粉料填充增強 粉狀填料的增強效果主要取決于填料的種類、尺寸、用量、表面性質以及粉狀填料的增強效果主要取決于填料的種類、尺寸、用量、表面性質以及填料在高分子基材中的分散狀況。按性能分粉狀填料可分為活性填料和惰填料在高分子基材中的分散狀況。按性能分粉狀填料可分為活性填料和惰性填料兩類；按尺寸分有微米級填料、納米級填料等。性填料兩類；按尺寸分有微米級填料、納米級填料等。 炭黑增強橡膠是最突出的粉狀填料增強聚合物材料的例子。炭黑是典型炭黑增強橡膠是最突出的粉狀填料增強聚合物材料的例子。炭黑是典型活性填料，尺寸

35、在亞微米級，增強效果十分顯著?；钚蕴盍?，尺寸在亞微米級，增強效果十分顯著。橡膠橡膠拉伸強度拉伸強度 / MPa增強倍數(shù)增強倍數(shù)純膠純膠含炭黑橡膠含炭黑橡膠非結晶型非結晶型硅橡膠硅橡膠0.3413.740丁苯橡膠丁苯橡膠1.9619.010丁腈橡膠丁腈橡膠1.9619.610結晶型結晶型天然橡膠天然橡膠19.031.41.6氯丁橡膠氯丁橡膠14.725.01.7丁基橡膠丁基橡膠17.618.61.1炭黑炭黑表表7-4 幾種橡膠采用炭黑增強的效果對比幾種橡膠采用炭黑增強的效果對比 白炭黑補強白炭黑補強24 高分子材料的增強改性高分子材料的增強改性 碳酸鈣、滑石粉、陶土以及各種金屬或金屬氧化物粉末屬

36、于惰性填料。對碳酸鈣、滑石粉、陶土以及各種金屬或金屬氧化物粉末屬于惰性填料。對于惰性填料，需要經過化學改性賦予粒子表面一定的活性，才具有增強作于惰性填料，需要經過化學改性賦予粒子表面一定的活性，才具有增強作用。例如用表面活性物質如脂肪酸、樹脂酸處理，或用鈦酸酯、硅烷等偶用。例如用表面活性物質如脂肪酸、樹脂酸處理，或用鈦酸酯、硅烷等偶聯(lián)劑處理，或在填料粒子表面化學接枝大分子等都有很好的效果。聯(lián)劑處理，或在填料粒子表面化學接枝大分子等都有很好的效果。 圖圖7-22 粉狀填料經硬脂酸處理填充粉狀填料經硬脂酸處理填充HDPE的的SEM圖圖 上圖：硬脂酸用量上圖：硬脂酸用量0.9% 下圖：下圖：1.5%

37、惰性填料惰性填料 纖維增強塑料是利用纖維的高強度、高模量、尺寸穩(wěn)定性和樹脂的低密纖維增強塑料是利用纖維的高強度、高模量、尺寸穩(wěn)定性和樹脂的低密度、強韌性設計制備的一種復合材料。兩者取長補短，復合的同時既克服度、強韌性設計制備的一種復合材料。兩者取長補短，復合的同時既克服了纖維的脆性，也提高了樹脂基體的強度、剛性、耐蠕變和耐熱性。了纖維的脆性，也提高了樹脂基體的強度、剛性、耐蠕變和耐熱性。常用的纖維材料常用的纖維材料玻璃纖維玻璃纖維碳纖維碳纖維硼纖維硼纖維天然纖維天然纖維基體材料基體材料熱固性樹脂熱固性樹脂熱塑性樹脂熱塑性樹脂橡膠類材料橡膠類材料242 纖維復合增強纖維復合增強 基于上述機理也可

38、得知，在基體中，即使纖維都已斷裂，或者直接在基基于上述機理也可得知，在基體中，即使纖維都已斷裂，或者直接在基體中加入經過表面處理的短纖維，只要纖維具有一定的長徑比，使復合作體中加入經過表面處理的短纖維，只要纖維具有一定的長徑比，使復合作用有效，仍可以達到增強效果。實際上短纖維增強塑料、橡膠的技術都有用有效，仍可以達到增強效果。實際上短纖維增強塑料、橡膠的技術都有很好的發(fā)展，部分已應用于生產實踐。很好的發(fā)展，部分已應用于生產實踐。 按復合作用原理，短纖維的臨界長度按復合作用原理，短纖維的臨界長度L Lc c可按下式計算：可按下式計算： ymyfcdL,2式中為式中為 纖維的拉伸屈服應力，纖維的拉

39、伸屈服應力， 為基體的剪切屈服應力，為基體的剪切屈服應力，d 為為纖維直徑。纖維直徑。 yf ,ym,243 納米復合材料和分子復合材料納米復合材料和分子復合材料 略略短纖維增強短纖維增強第第4節(jié)節(jié) 高分子材料的抗沖擊性能和增韌改性高分子材料的抗沖擊性能和增韌改性 41 抗沖擊強度抗沖擊強度 抗沖擊強度抗沖擊強度的測定方法的測定方法高速拉伸試驗高速拉伸試驗落錘式沖擊試驗落錘式沖擊試驗擺錘式沖擊試驗擺錘式沖擊試驗懸臂梁式（懸臂梁式（Izod）簡支梁式（簡支梁式（Charpy）411 抗沖擊強度定義及物理意義抗沖擊強度定義及物理意義 抗沖擊強度（抗沖擊強度（impact strength）定義為標

40、準試樣在高速沖擊作用下發(fā)生斷裂時，）定義為標準試樣在高速沖擊作用下發(fā)生斷裂時，單位斷面面積（或單位缺口長度）所消耗的能量。單位斷面面積（或單位缺口長度）所消耗的能量。 沖擊破壞過程雖然很快，沖擊破壞過程雖然很快，但根據破壞原理也可分為三但根據破壞原理也可分為三個階段：一是裂紋引發(fā)階段，個階段：一是裂紋引發(fā)階段，二是裂紋擴展階段，三是斷二是裂紋擴展階段，三是斷裂階段。裂階段。圖圖7-30 沖擊沖擊實驗中材料受力及屈撓關系曲線實驗中材料受力及屈撓關系曲線 曲線下面積：白亮區(qū)域裂紋引發(fā)能 陰影區(qū)域裂紋擴展能 412 沖擊破壞過程分析沖擊破壞過程分析 從微觀來看，裂紋引發(fā)時一定有從微觀來看，裂紋引發(fā)時

41、一定有主鏈發(fā)生斷裂，因此主鏈發(fā)生斷裂，因此主鏈化學鍵主鏈化學鍵鍵能的大小鍵能的大小決定著裂紋引發(fā)能的決定著裂紋引發(fā)能的大小。裂紋擴展能的大小則與裂大小。裂紋擴展能的大小則與裂紋尖端區(qū)的形變性質有關。紋尖端區(qū)的形變性質有關。 4 42 2 影響抗沖擊性能的因素影響抗沖擊性能的因素 421 分子鏈結構的影響分子鏈結構的影響 除分子鏈化學鍵強度外，分子鏈柔順性對抗沖擊性能也有較大影響。除分子鏈化學鍵強度外，分子鏈柔順性對抗沖擊性能也有較大影響。 一般來說分子鏈柔性大的材料抗沖擊性能較好，而剛性鏈聚合物較差。一般來說分子鏈柔性大的材料抗沖擊性能較好，而剛性鏈聚合物較差。 在特定場合，尺寸小于鏈段的次級

42、結構運動狀態(tài)的變化也對抗沖擊韌在特定場合，尺寸小于鏈段的次級結構運動狀態(tài)的變化也對抗沖擊韌性有影響。性有影響。 次級轉變和低溫抗沖性次級轉變和低溫抗沖性分子量的影響。分子量的影響。 分子量小時，隨分子量增大，抗沖擊強度提高；分子量足夠高時，抗沖擊強度分子量小時，隨分子量增大，抗沖擊強度提高；分子量足夠高時，抗沖擊強度基本與分子量無關。基本與分子量無關。 422 結晶、取向的影響結晶、取向的影響 對聚乙烯、聚丙烯等高結晶度材料，當結晶度為對聚乙烯、聚丙烯等高結晶度材料，當結晶度為40-60%時，由于時，由于材料拉伸時有屈服發(fā)生且斷裂伸長率高，韌性很好。結晶度再增高，材料拉伸時有屈服發(fā)生且斷裂伸長

43、率高，韌性很好。結晶度再增高，材料變硬變脆，抗沖擊韌性反而下降。這是由于結晶使分子間相互作材料變硬變脆，抗沖擊韌性反而下降。這是由于結晶使分子間相互作用增強，鏈段運動能力減弱，受到外來沖擊時，材料形變能力減少，用增強，鏈段運動能力減弱，受到外來沖擊時，材料形變能力減少，因而抗沖擊韌性變差。因而抗沖擊韌性變差。 從結晶形態(tài)看，具有均勻小球晶的材料抗沖擊韌性好，而大球晶韌從結晶形態(tài)看，具有均勻小球晶的材料抗沖擊韌性好，而大球晶韌性差。球晶尺寸大，球晶內部以及球晶之間的缺陷增多，材料受沖擊性差。球晶尺寸大，球晶內部以及球晶之間的缺陷增多，材料受沖擊力時易在薄弱環(huán)節(jié)破裂。力時易在薄弱環(huán)節(jié)破裂。 對取向

44、材料，當沖擊力與取向方向平行，沖擊強度因取向而提高，若對取向材料，當沖擊力與取向方向平行，沖擊強度因取向而提高，若沖擊力與取向方向垂直，沖擊強度下降。由于實際材料總是在最薄弱處沖擊力與取向方向垂直，沖擊強度下降。由于實際材料總是在最薄弱處首先破壞，因此取向對材料的抗沖擊性能一般是不利的首先破壞，因此取向對材料的抗沖擊性能一般是不利的 結晶度結晶度晶體形態(tài)晶體形態(tài)取向取向 溫度升高，材料抗沖擊溫度升高，材料抗沖擊強度隨之增大。對無定形強度隨之增大。對無定形聚合物，當溫度升高到玻聚合物，當溫度升高到玻璃化溫度附近或更高時，璃化溫度附近或更高時，抗沖擊強度急劇增大。抗沖擊強度急劇增大。 對結晶性聚合

45、物，其玻璃化對結晶性聚合物，其玻璃化溫度以上的抗沖擊強度也比玻溫度以上的抗沖擊強度也比玻璃化溫度以下的高，這是因為璃化溫度以下的高，這是因為在玻璃化溫度附近時，鏈段運在玻璃化溫度附近時，鏈段運動釋放，分子運動加劇，使應動釋放，分子運動加劇，使應力集中效應減緩，部分能量會力集中效應減緩，部分能量會由于材料的力學損耗作用以熱由于材料的力學損耗作用以熱的形式逸散。的形式逸散。圖圖7-33 幾種聚丙烯試樣抗沖強度隨溫度幾種聚丙烯試樣抗沖強度隨溫度的變化的變化423 溫度的影響溫度的影響 采用丁二烯與苯乙烯共采用丁二烯與苯乙烯共聚得到高抗沖聚苯乙烯；聚得到高抗沖聚苯乙烯；采用氯化聚乙烯與聚氯乙采用氯化聚

46、乙烯與聚氯乙烯共混得到硬聚氯乙烯韌烯共混得到硬聚氯乙烯韌性體，都將使基體的抗沖性體，都將使基體的抗沖強度提高幾倍至幾十倍。強度提高幾倍至幾十倍。 橡膠增韌塑料已發(fā)展為橡膠增韌塑料已發(fā)展為十分成熟的塑料增韌技術，十分成熟的塑料增韌技術，由此開發(fā)出一大批新型材由此開發(fā)出一大批新型材料，產生巨大經濟效益。料，產生巨大經濟效益。圖圖7-35 CPE用量對用量對PVC/CPE共混物力學共混物力學性能的影響性能的影響共聚、共混改性效果共聚、共混改性效果 實驗發(fā)現(xiàn)，采用與橡膠類材料嵌段共聚、接枝共聚或物理共混的方法實驗發(fā)現(xiàn)，采用與橡膠類材料嵌段共聚、接枝共聚或物理共混的方法可以大幅度改善脆性塑料的抗沖擊性能

47、?？梢源蠓雀纳拼嘈运芰系目箾_擊性能。424 共混，共聚，填充的影響共混，共聚，填充的影響 431 橡膠增韌塑料的經典機理橡膠增韌塑料的經典機理 微裂紋理論（微裂紋理論（E M Mertz，1956年）年） 多重銀紋理論（多重銀紋理論（C B Bucknall和和R R Smith，1965年）年） 剪切屈服理論（剪切屈服理論（S Newman，1965年）年） 空穴化理論（空穴化理論（R A Pearson，1986年）年） 銀紋銀紋-剪切帶理論（剪切帶理論（craze -shear banding theory），），J A Schmitt和和C B Bucknall等在等在20世紀世紀70年代提出。年代提出。 被人們普遍接受。被人們普遍接受。43 高分子材料的增韌改性高分子材料的增韌改性 圖圖6-43 左圖：拉伸試樣產生的銀紋化現(xiàn)象，左圖：拉伸試樣產