高分子材料第9講-力學(xué)性能

1、13.4 3.4 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能n聚合物的拉伸行為聚合物的拉伸行為n聚合物的屈服行為聚合物的屈服行為n聚合物的斷裂行為聚合物的斷裂行為n影響聚合物強(qiáng)度的因素影響聚合物強(qiáng)度的因素2n聚合物作為材料使用時，總不可避免地會受到各聚合物作為材料使用時，總不可避免地會受到各種各樣的外力種各樣的外力( (拉伸、壓縮、剪切、沖擊等拉伸、壓縮、剪切、沖擊等) )而產(chǎn)而產(chǎn)生變形甚于斷裂。生變形甚于斷裂。nInstron Tensile Testor 電子拉力機(jī)電子拉力機(jī)nMaterial testing machine 材料試驗(yàn)機(jī)材料試驗(yàn)機(jī) 各種情況下的應(yīng)力各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)

2、變曲線(a) 不同溫度不同溫度a: TTg c: TTg (幾十度)d: T接近Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆性斷裂 韌性斷裂無屈服屈服后斷裂Results TT4玻璃態(tài)聚合物的拉伸玻璃態(tài)聚合物的拉伸n曲線：當(dāng)溫度很低時曲線：當(dāng)溫度很低時(T(TTg)Tg)，應(yīng)力隨應(yīng)變成正比地增加，應(yīng)力隨應(yīng)變成正比地增加，最后應(yīng)變不到最后應(yīng)變不到1010材料屈服前發(fā)生斷裂。材料屈服前發(fā)生斷裂。n曲線：當(dāng)溫度稍稍升高些，但仍在曲線：當(dāng)溫度稍稍升高些，但仍在TgTg以下，應(yīng)力以下，應(yīng)力應(yīng)變曲應(yīng)變曲線上出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)線上出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)B B，稱為屈服點(diǎn)，

3、應(yīng)力在，稱為屈服點(diǎn)，應(yīng)力在B B點(diǎn)達(dá)到一個極點(diǎn)達(dá)到一個極大值，稱為屈服應(yīng)力。過了大值，稱為屈服應(yīng)力。過了B B點(diǎn)應(yīng)力反而降低，試樣應(yīng)變增點(diǎn)應(yīng)力反而降低，試樣應(yīng)變增大。但由于溫度仍然較低，繼續(xù)拉伸，試樣便發(fā)生斷裂，總大。但由于溫度仍然較低，繼續(xù)拉伸，試樣便發(fā)生斷裂，總的應(yīng)變也沒有超過的應(yīng)變也沒有超過2020。n曲線：如果溫度再升高到曲線：如果溫度再升高到TgTg以下幾十?dāng)z氏度的范圍內(nèi)時，以下幾十?dāng)z氏度的范圍內(nèi)時，屈服點(diǎn)之后，試樣在不增加外力或者外力增加不大的情況下屈服點(diǎn)之后，試樣在不增加外力或者外力增加不大的情況下能發(fā)生很大的應(yīng)變能發(fā)生很大的應(yīng)變( (甚至可能有百分之幾百甚至可能有百分之幾百)

4、)。在后一階段，。在后一階段，曲線又出現(xiàn)較明顯的上升，通常稱之為應(yīng)變硬化，直到最后曲線又出現(xiàn)較明顯的上升，通常稱之為應(yīng)變硬化，直到最后斷裂。斷裂點(diǎn)斷裂。斷裂點(diǎn)C C的應(yīng)力稱為斷裂應(yīng)力，對應(yīng)的應(yīng)變稱為斷裂的應(yīng)力稱為斷裂應(yīng)力，對應(yīng)的應(yīng)變稱為斷裂伸長率。伸長率。n曲線：溫度升至曲線：溫度升至TgTg以上，試樣進(jìn)入高彈態(tài)，在不大的應(yīng)力以上，試樣進(jìn)入高彈態(tài)，在不大的應(yīng)力下，便可以發(fā)展高彈形變，曲線不再出現(xiàn)屈服點(diǎn)，而呈現(xiàn)一下，便可以發(fā)展高彈形變，曲線不再出現(xiàn)屈服點(diǎn)，而呈現(xiàn)一段較長的平臺，即在不明顯增加應(yīng)力時，應(yīng)變有很大的發(fā)展，段較長的平臺，即在不明顯增加應(yīng)力時，應(yīng)變有很大的發(fā)展，直到試樣斷裂前，曲線又出現(xiàn)

5、急劇地上升。直到試樣斷裂前，曲線又出現(xiàn)急劇地上升。玻璃態(tài)聚合物在不同溫度玻璃態(tài)聚合物在不同溫度下的應(yīng)力下的應(yīng)力 - -應(yīng)變應(yīng)變 曲線曲線 ：單位面積上所受的外力：單位面積上所受的外力 ：材料的伸長率材料的伸長率AAEAYBYielding point 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)Point of elastic limit 彈性極限點(diǎn)彈性極限點(diǎn)Breaking point 斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn)ABAYBStrain softening 應(yīng)變軟化Cold drawing 冷拉Strain hardening 應(yīng)變硬化典型非晶態(tài)聚合物的拉伸應(yīng)力典型非晶態(tài)聚合物的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線n脆性斷裂：曲線，材料出現(xiàn)屈服之前

6、發(fā)生的斷裂稱為脆性斷裂，材料斷裂前只發(fā)生很脆性斷裂：曲線，材料出現(xiàn)屈服之前發(fā)生的斷裂稱為脆性斷裂，材料斷裂前只發(fā)生很小的變形。曲線的起始階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比，試樣表現(xiàn)除虎克彈性體行為，從直線的小的變形。曲線的起始階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比，試樣表現(xiàn)除虎克彈性體行為，從直線的斜率可計(jì)算出試樣的楊氏模量。在這段范圍內(nèi)停止拉伸，移去外力，試樣將立刻完全回斜率可計(jì)算出試樣的楊氏模量。在這段范圍內(nèi)停止拉伸，移去外力，試樣將立刻完全回復(fù)原狀。從微觀的角度看，這種高模量、小變形的彈性行為是由高分子的鍵長、鍵角變復(fù)原狀。從微觀的角度看，這種高模量、小變形的彈性行為是由高分子的鍵長、鍵角變化引起的?；鸬?。n韌性斷

7、裂：曲線和，材料屈服之后的斷裂稱為韌性斷裂。材料在屈服后出現(xiàn)了較大韌性斷裂：曲線和，材料屈服之后的斷裂稱為韌性斷裂。材料在屈服后出現(xiàn)了較大的應(yīng)變，如果在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，試樣的大形變已無法完全回復(fù)。屈服的應(yīng)變，如果在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，試樣的大形變已無法完全回復(fù)。屈服點(diǎn)以后材科的大形變的分子機(jī)理主要是高分子的鏈段運(yùn)動，即在大外力的幫助下，玻璃點(diǎn)以后材科的大形變的分子機(jī)理主要是高分子的鏈段運(yùn)動，即在大外力的幫助下，玻璃態(tài)聚合物本來被凍結(jié)的鏈段開始運(yùn)動，高分子鏈的伸展提供了材科的大形變。這時，由態(tài)聚合物本來被凍結(jié)的鏈段開始運(yùn)動，高分子鏈的伸展提供了材科的大形變。這時，由于聚合

8、物處在玻璃態(tài)，即使外力除去后，也不能自發(fā)回復(fù)。于聚合物處在玻璃態(tài)，即使外力除去后，也不能自發(fā)回復(fù)。n高彈形變：曲線，將試樣的溫度升到高彈形變：曲線，將試樣的溫度升到TgTg附近，形變可回復(fù)。這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高到附近，形變可回復(fù)。這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高到TgTg以上時，鏈段運(yùn)動解凍，分子鏈蜷曲起來，因而形變回復(fù)。如果在分子鏈伸展后繼續(xù)拉以上時，鏈段運(yùn)動解凍，分子鏈蜷曲起來，因而形變回復(fù)。如果在分子鏈伸展后繼續(xù)拉伸，則由于分子鏈取向排列，使材料強(qiáng)度進(jìn)一步提高，因而需要更大的力，所以應(yīng)力又伸，則由于分子鏈取向排列，使材料強(qiáng)度進(jìn)一步提高，因而需要更大的力，所以應(yīng)力又出現(xiàn)逐漸的上升，直到發(fā)生斷裂。出現(xiàn)逐漸的

9、上升，直到發(fā)生斷裂。玻璃態(tài)聚合物在不同溫度玻璃態(tài)聚合物在不同溫度下的應(yīng)力下的應(yīng)力 - -應(yīng)變應(yīng)變 曲線曲線玻璃態(tài)聚合物的拉伸玻璃態(tài)聚合物的拉伸7結(jié)晶聚合物的拉伸結(jié)晶聚合物的拉伸n結(jié)晶聚合物比玻璃態(tài)聚合物的拉伸曲線具有更明顯的轉(zhuǎn)折。結(jié)晶聚合物比玻璃態(tài)聚合物的拉伸曲線具有更明顯的轉(zhuǎn)折。n第一段應(yīng)力隨應(yīng)變線性增加，試樣被均勻拉長，伸長率可達(dá)百分第一段應(yīng)力隨應(yīng)變線性增加，試樣被均勻拉長，伸長率可達(dá)百分之幾到百分之十幾，到之幾到百分之十幾，到Y(jié) Y點(diǎn)，試樣的截面突然變得不均勻，出現(xiàn)點(diǎn)，試樣的截面突然變得不均勻，出現(xiàn)一個或幾個一個或幾個“細(xì)頸細(xì)頸”，由此開始進(jìn)入第二階段。，由此開始進(jìn)入第二階段。n第二階段

10、，細(xì)頸與非細(xì)頸部分截面積分別維持不變，細(xì)頸部分不第二階段，細(xì)頸與非細(xì)頸部分截面積分別維持不變，細(xì)頸部分不斷擴(kuò)展，非細(xì)頸部分逐漸縮短，直至整個試樣完全變細(xì)為止。應(yīng)斷擴(kuò)展，非細(xì)頸部分逐漸縮短，直至整個試樣完全變細(xì)為止。應(yīng)力幾乎不變，而應(yīng)變不斷增加。第二階段總的應(yīng)變隨聚合物不同力幾乎不變，而應(yīng)變不斷增加。第二階段總的應(yīng)變隨聚合物不同而不同，支鏈的聚乙烯、聚酯、聚酰胺之類可達(dá)而不同，支鏈的聚乙烯、聚酯、聚酰胺之類可達(dá)500500，而線型，而線型聚乙烯甚至可達(dá)聚乙烯甚至可達(dá)10001000。n第三階段，成頸后的試樣重新被均勻拉伸，應(yīng)力又隨應(yīng)變的增加第三階段，成頸后的試樣重新被均勻拉伸，應(yīng)力又隨應(yīng)變的增加

11、而增大直到斷裂點(diǎn)。而增大直到斷裂點(diǎn)。n單軸拉伸過程中分子排列產(chǎn)生很大的變化，尤其是接近屈服點(diǎn)或單軸拉伸過程中分子排列產(chǎn)生很大的變化，尤其是接近屈服點(diǎn)或超過屈服點(diǎn)時，分子都在與拉伸方向相平行的方向上開始取向。超過屈服點(diǎn)時，分子都在與拉伸方向相平行的方向上開始取向。在結(jié)晶聚合物中微晶也進(jìn)行重排，甚至某些晶體可能破裂成較小在結(jié)晶聚合物中微晶也進(jìn)行重排，甚至某些晶體可能破裂成較小的單位，然后在取向的情況下再結(jié)晶。拉伸后的材料在熔點(diǎn)以下的單位，然后在取向的情況下再結(jié)晶。拉伸后的材料在熔點(diǎn)以下不易回復(fù)到原先末取向的狀態(tài)，然而只要加熱到熔點(diǎn)附近，還是不易回復(fù)到原先末取向的狀態(tài)，然而只要加熱到熔點(diǎn)附近，還是能

12、回縮到未拉伸狀態(tài)的、因而這種結(jié)晶聚合物的大形變，就本質(zhì)能回縮到未拉伸狀態(tài)的、因而這種結(jié)晶聚合物的大形變，就本質(zhì)上說也是高彈性的，只是形變被新產(chǎn)生的結(jié)晶所凍結(jié)而己。上說也是高彈性的，只是形變被新產(chǎn)生的結(jié)晶所凍結(jié)而己。結(jié)晶聚合物拉伸過程應(yīng)力結(jié)晶聚合物拉伸過程應(yīng)力- -應(yīng)變應(yīng)變曲線及試樣外形變化示意圖曲線及試樣外形變化示意圖The yielding of polymer 聚合物的屈服聚合物的屈服高聚物屈服點(diǎn)前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點(diǎn)后高聚高聚物屈服點(diǎn)前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點(diǎn)后高聚物將在恒應(yīng)力下物將在恒應(yīng)力下“塑性流動塑性流動”，即鏈段沿外力方向開始，即鏈段沿外力方向開始取向。取向。高聚物在

13、屈服點(diǎn)的應(yīng)變相當(dāng)大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)楦呔畚镌谇c(diǎn)的應(yīng)變相當(dāng)大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)?0%-20%（與金屬相比）。（與金屬相比）。屈服點(diǎn)以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)變軟化，有些還非常屈服點(diǎn)以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)變軟化，有些還非常迅速。迅速。屈服應(yīng)力對應(yīng)變速率和溫度都敏感。屈服應(yīng)力對應(yīng)變速率和溫度都敏感。屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產(chǎn)生屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產(chǎn)生“銀紋銀紋”或或“剪切帶剪切帶”,繼而整個樣條局部出現(xiàn)繼而整個樣條局部出現(xiàn)“細(xì)頸細(xì)頸”。屈服主要特征Strain softening 應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化 彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱為繼續(xù)屈彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱為繼續(xù)

14、屈服，包括：服，包括：應(yīng)變軟化：屈服后，應(yīng)變增加，應(yīng)力反而有稍許下跌的應(yīng)變軟化：屈服后，應(yīng)變增加，應(yīng)力反而有稍許下跌的現(xiàn)象，原因至今尚不清楚。現(xiàn)象，原因至今尚不清楚。呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細(xì)頸。呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細(xì)頸。塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。發(fā)生發(fā)生“取向硬化取向硬化”，應(yīng)力急劇上升。，應(yīng)力急劇上升。試樣斷裂。試樣斷裂。樣條尺寸：橫截面小的地方樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方 出現(xiàn)出現(xiàn)“細(xì)頸細(xì)頸”的位置的位置自由體積增加自由體積增加松弛時間變短松弛時間變短出現(xiàn)出現(xiàn)“細(xì)頸細(xì)頸”的原因的原因

15、無外力無外力有外力有外力 RTEe0RTaEe0Necking 細(xì)頸細(xì)頸細(xì)頸細(xì)頸:屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。 為什么會出現(xiàn)細(xì)頸？為什么會出現(xiàn)細(xì)頸？應(yīng)力最大處。應(yīng)力最大處。哪里的應(yīng)力最大？哪里的應(yīng)力最大？剪切屈服現(xiàn)象、機(jī)理及判據(jù)剪切屈服現(xiàn)象、機(jī)理及判據(jù)剪切屈服：即在細(xì)頸發(fā)生前，試樣表面出現(xiàn)剪切屈服：即在細(xì)頸發(fā)生前，試樣表面出現(xiàn)與拉伸方向成與拉伸方向成45度角的剪切帶。度角的剪切帶。從應(yīng)力從應(yīng)力應(yīng)變曲線可以獲得的被拉伸聚合物應(yīng)變曲線可以獲得的被拉伸聚合物的信息的信息聚合物的聚合物的屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度聚合物的聚合物的楊氏模量楊氏模量聚合物的聚合物的斷裂強(qiáng)度斷裂

16、強(qiáng)度聚合物的聚合物的斷裂伸長率斷裂伸長率聚合物的聚合物的斷裂韌性斷裂韌性聚合物的斷裂行為聚合物的斷裂行為脆性斷裂脆性斷裂 brittle fracture韌性斷裂韌性斷裂 ductile fracture 玻璃態(tài)聚合物與結(jié)晶聚合物的拉伸玻璃態(tài)聚合物與結(jié)晶聚合物的拉伸比較比較相似之處：相似之處：兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形變兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應(yīng)變硬化等階段，其中大形變在室溫時都不能自發(fā)回復(fù)，而以及應(yīng)變硬化等階段，其中大形變在室溫時都不能自發(fā)回復(fù)，而加熱后則產(chǎn)生回復(fù)，故本質(zhì)上兩種拉伸過程造成的大形變都是高加熱后則產(chǎn)生回復(fù)，故本質(zhì)上兩種拉伸過程造成的大形變

17、都是高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為彈形變。該現(xiàn)象通常稱為“冷拉冷拉”。區(qū)別區(qū)別：（1）產(chǎn)生冷拉的溫度范圍不同，玻璃態(tài)聚合物的冷拉溫產(chǎn)生冷拉的溫度范圍不同，玻璃態(tài)聚合物的冷拉溫度區(qū)間是度區(qū)間是Tb到到Tg，而結(jié)晶聚合物則為，而結(jié)晶聚合物則為Tg至至Tm； （2）玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比晶）玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比晶態(tài)聚合物簡單得多，它只發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變，而態(tài)聚合物簡單得多，它只發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變，而后者尚包含有后者尚包含有結(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程結(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程。a: 脆性材料脆性材料 c: 韌性材料韌性材料d: 橡膠橡

18、膠b: 半脆性材料半脆性材料酚醛或環(huán)氧樹脂酚醛或環(huán)氧樹脂PP, PE, PCPS, PMMANature rubber, PIB不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)聚合物的應(yīng)力不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變15硬彈性材料的拉伸硬彈性材料的拉伸- -結(jié)晶聚合物結(jié)晶聚合物n2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代中期發(fā)現(xiàn)聚丙烯和聚甲醛等易結(jié)晶的聚合物熔體，在較年代中期發(fā)現(xiàn)聚丙烯和聚甲醛等易結(jié)晶的聚合物熔體，在較高的拉伸應(yīng)力場中結(jié)晶時，可以得到具有很高彈件的纖維或薄膜材料，高的拉伸應(yīng)力場中結(jié)晶時，可以得到具有很高彈件的纖維或薄膜材料，而其彈性模量比一般橡膠卻要高得多，因而稱為硬彈性材料。其他如而其彈性模量比一般橡膠卻要高得多，

19、因而稱為硬彈性材料。其他如聚乙烯、尼龍。聚乙烯、尼龍。n拉伸初始，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加急劇上升，使這類材料具有接近于一般拉伸初始，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加急劇上升，使這類材料具有接近于一般結(jié)晶聚合物的高起始模量。到形變百分之幾時，發(fā)生了不太典型的屈結(jié)晶聚合物的高起始模量。到形變百分之幾時，發(fā)生了不太典型的屈服，應(yīng)力服，應(yīng)力- -應(yīng)變曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折。然而，與上面討論過的一般結(jié)晶聚應(yīng)變曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折。然而，與上面討論過的一般結(jié)晶聚合物的拉伸行為不同，這類材料拉伸時不出現(xiàn)成頸現(xiàn)象，因而繼續(xù)拉合物的拉伸行為不同，這類材料拉伸時不出現(xiàn)成頸現(xiàn)象，因而繼續(xù)拉伸時，應(yīng)力會繼續(xù)以較緩慢的速度上升，而且到達(dá)一定形變量后，

20、伸時，應(yīng)力會繼續(xù)以較緩慢的速度上升，而且到達(dá)一定形變量后，移去載荷時形變可以自發(fā)回復(fù)，雖然在拉伸曲線與回復(fù)曲線之間形成移去載荷時形變可以自發(fā)回復(fù)，雖然在拉伸曲線與回復(fù)曲線之間形成較大的滯后圈，但彈性回復(fù)率有時可高達(dá)較大的滯后圈，但彈性回復(fù)率有時可高達(dá)9898。nE.S.ClarkE.S.Clark提出了一種非常直觀但較為粗糙的能彈性機(jī)理。這種模型把提出了一種非常直觀但較為粗糙的能彈性機(jī)理。這種模型把硬彈性的來源歸諸于晶片的彈性彎曲。由于在片晶之間存在由系帶分硬彈性的來源歸諸于晶片的彈性彎曲。由于在片晶之間存在由系帶分子構(gòu)成的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，使硬彈材料在受到張力時，內(nèi)部晶片將發(fā)生彎曲和子構(gòu)成的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，使

21、硬彈材料在受到張力時，內(nèi)部晶片將發(fā)生彎曲和剪切彈性變形，晶片間被拉開，形成網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)，因而可以發(fā)生較剪切彈性變形，晶片間被拉開，形成網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)，因而可以發(fā)生較大的形變，而且形變愈大，應(yīng)力愈高，外力消失后，靠晶片的彈性回大的形變，而且形變愈大，應(yīng)力愈高，外力消失后，靠晶片的彈性回復(fù)，網(wǎng)格重新閉合，形變可大部分回復(fù)。復(fù)，網(wǎng)格重新閉合，形變可大部分回復(fù)。聚丙烯熔紡時快速牽伸得到的聚丙烯熔紡時快速牽伸得到的纖維應(yīng)力纖維應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線16硬彈性材料的拉伸硬彈性材料的拉伸- -非晶聚合物非晶聚合物n高抗沖聚苯乙烯高抗沖聚苯乙烯HIPSHIPS當(dāng)發(fā)生大量微裂紋當(dāng)發(fā)生大量微裂紋時也表現(xiàn)出硬彈性

22、行為，這一事實(shí)是晶時也表現(xiàn)出硬彈性行為，這一事實(shí)是晶片彎曲模型難以說明的。片彎曲模型難以說明的。n硬彈性材料的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)表明它們都硬彈性材料的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)表明它們都具有類似的板塊微纖復(fù)合結(jié)構(gòu)。晶片之具有類似的板塊微纖復(fù)合結(jié)構(gòu)。晶片之間存在大量以空洞相間的微纖，形成高間存在大量以空洞相間的微纖，形成高的孔隙率。非晶材料發(fā)生微裂紋時，微的孔隙率。非晶材料發(fā)生微裂紋時，微裂紋體內(nèi)也是由高度取向的分子鏈?zhǔn)鴺?gòu)裂紋體內(nèi)也是由高度取向的分子鏈?zhǔn)鴺?gòu)成的微纖和空洞組成的。成的微纖和空洞組成的。n研究的焦點(diǎn)從晶格移到微纖上，逐漸形研究的焦點(diǎn)從晶格移到微纖上，逐漸形成了與這些微纖聯(lián)系在一起的硬彈性的成了與這些微纖

23、聯(lián)系在一起的硬彈性的表面能機(jī)理，認(rèn)為硬彈性主要由形成微表面能機(jī)理，認(rèn)為硬彈性主要由形成微纖的表面能改變貢獻(xiàn)的。纖的表面能改變貢獻(xiàn)的。Crazing Crazing 銀紋銀紋銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，在張應(yīng)力作用下，于材料某些銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，在張應(yīng)力作用下，于材料某些薄弱地方出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以薄弱地方出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以至于在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為至于在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為100m、寬度為、寬度為10 m左右、厚度約為左右、厚度約為1 m的微細(xì)凹槽的的微細(xì)凹槽的現(xiàn)象現(xiàn)象分分類類環(huán)境銀紋環(huán)境銀紋溶劑銀紋溶劑銀

24、紋應(yīng)力銀紋應(yīng)力銀紋18微裂紋微裂紋n微裂紋是聚合物特有的一種形態(tài)學(xué)特征。它是聚合物在張應(yīng)微裂紋是聚合物特有的一種形態(tài)學(xué)特征。它是聚合物在張應(yīng)力作用下，出現(xiàn)于材料的缺陷或薄弱處，與主應(yīng)力方向相垂力作用下，出現(xiàn)于材料的缺陷或薄弱處，與主應(yīng)力方向相垂直的長條形微細(xì)凹槽。由于光線在微裂紋的表面上發(fā)生全反直的長條形微細(xì)凹槽。由于光線在微裂紋的表面上發(fā)生全反射，它在透明塑料中呈現(xiàn)為肉眼可見的明亮條紋，也稱為銀射，它在透明塑料中呈現(xiàn)為肉眼可見的明亮條紋，也稱為銀紋。在較大外力作用下，微裂紋會進(jìn)一步發(fā)展迅速增長為裂紋。在較大外力作用下，微裂紋會進(jìn)一步發(fā)展迅速增長為裂縫，最終材料發(fā)生斷裂?？p，最終材料發(fā)生斷裂。

25、n用橡膠增韌的塑料，在拉伸變形或彎曲變形或受沖擊的破壞用橡膠增韌的塑料，在拉伸變形或彎曲變形或受沖擊的破壞時試樣有發(fā)白現(xiàn)象，稱為應(yīng)力發(fā)白。發(fā)白的區(qū)域是無數(shù)微裂時試樣有發(fā)白現(xiàn)象，稱為應(yīng)力發(fā)白。發(fā)白的區(qū)域是無數(shù)微裂紋體的總和，由于微裂紋體的密度與樹脂的密度不同，折光紋體的總和，由于微裂紋體的密度與樹脂的密度不同，折光率不同，所以顯得發(fā)白。率不同，所以顯得發(fā)白。微裂紋與裂縫的不同：微裂紋與裂縫的不同：1 1）裂縫完全由空隙構(gòu)成，微裂紋由沿外力方向高度取向的聚合物微纖及其周圍的）裂縫完全由空隙構(gòu)成，微裂紋由沿外力方向高度取向的聚合物微纖及其周圍的空洞組成的。空洞組成的。2 2）裂縫不可逆，微裂紋具有可

26、逆性，在壓力下或在）裂縫不可逆，微裂紋具有可逆性，在壓力下或在TgTg以上退火時微裂紋能回縮和以上退火時微裂紋能回縮和消失。如具有應(yīng)力銀紋的聚苯乙烯、有機(jī)玻璃、聚碳酸酯，若加熱到各自的消失。如具有應(yīng)力銀紋的聚苯乙烯、有機(jī)玻璃、聚碳酸酯，若加熱到各自的TgTg以以上，可回復(fù)到未開裂時的光學(xué)均一狀態(tài)。上，可回復(fù)到未開裂時的光學(xué)均一狀態(tài)。Microstructure of crazing微纖微纖 Microfibril微纖平行與外力方向，銀紋長度方向微纖平行與外力方向，銀紋長度方向與外力垂直。與外力垂直。也稱為銀紋質(zhì)也稱為銀紋質(zhì)銀紋與裂紋銀紋與裂紋銀紋不是空的，銀紋體的密度銀紋不是空的，銀紋體的密度

27、為本體密度的為本體密度的50%，折光指數(shù)，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，也低于聚合物本體折光指數(shù)，因此在銀紋和本體之間的界面因此在銀紋和本體之間的界面上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱稱應(yīng)力發(fā)白應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會使）。加熱退火會使銀紋消失銀紋消失 。F銀銀紋紋的的擴(kuò)擴(kuò)展展中間分子中間分子鏈斷裂鏈斷裂擴(kuò)展擴(kuò)展形成裂紋形成裂紋22應(yīng)變誘發(fā)塑料應(yīng)變誘發(fā)塑料- -橡膠轉(zhuǎn)變橡膠轉(zhuǎn)變n某些嵌段共聚物及其與相應(yīng)均聚物組成的共混物表現(xiàn)出來某些嵌段共聚物及其與相應(yīng)均聚物組成的共混物表現(xiàn)出來一種特有的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。一種特有的應(yīng)變軟化現(xiàn)

28、象。n苯乙烯苯乙烯- -丁二烯丁二烯- -苯乙烯三嵌段共聚物苯乙烯三嵌段共聚物SBSSBS，當(dāng)塑料相和橡膠，當(dāng)塑料相和橡膠相的組成比接近相的組成比接近1 1：1 1時，材料在室溫下像塑料，其拉伸行時，材料在室溫下像塑料，其拉伸行為開始與一般塑料的冷拉現(xiàn)象相似。在應(yīng)變約為開始與一般塑料的冷拉現(xiàn)象相似。在應(yīng)變約5%5%處發(fā)生屈處發(fā)生屈服成頸，隨后細(xì)頸逐漸發(fā)展，應(yīng)力幾乎不變而應(yīng)變不斷增服成頸，隨后細(xì)頸逐漸發(fā)展，應(yīng)力幾乎不變而應(yīng)變不斷增加，直到細(xì)頸發(fā)展完成，此時應(yīng)變約達(dá)加，直到細(xì)頸發(fā)展完成，此時應(yīng)變約達(dá)200%200%，進(jìn)一步拉伸，進(jìn)一步拉伸，細(xì)頸被均勻拉伸，應(yīng)力可進(jìn)一步升高，最大應(yīng)變可高達(dá)細(xì)頸被均勻

29、拉伸，應(yīng)力可進(jìn)一步升高，最大應(yīng)變可高達(dá)500%500%，甚至更高。移去外力后，這種大形變可迅速基本回，甚至更高。移去外力后，這種大形變可迅速基本回復(fù)。接著進(jìn)行第二次拉伸，則開始發(fā)生大形變所需要的外復(fù)。接著進(jìn)行第二次拉伸，則開始發(fā)生大形變所需要的外力比第一次拉伸要小得多，試樣也不再發(fā)生屈服和成頸過力比第一次拉伸要小得多，試樣也不再發(fā)生屈服和成頸過程，而與一般交聯(lián)橡膠的拉伸過程相似呈現(xiàn)高彈性。程，而與一般交聯(lián)橡膠的拉伸過程相似呈現(xiàn)高彈性。n第一次拉伸超過屈服點(diǎn)后，試樣從塑料逐漸轉(zhuǎn)變成橡膠，第一次拉伸超過屈服點(diǎn)后，試樣從塑料逐漸轉(zhuǎn)變成橡膠，稱為應(yīng)變誘發(fā)塑料稱為應(yīng)變誘發(fā)塑料- -橡膠轉(zhuǎn)變。經(jīng)拉伸變?yōu)橄?/p>

30、膠的試樣，如橡膠轉(zhuǎn)變。經(jīng)拉伸變?yōu)橄鹉z的試樣，如果在室溫下放置較長的時間，又能恢復(fù)拉伸前的塑料性質(zhì)。果在室溫下放置較長的時間，又能恢復(fù)拉伸前的塑料性質(zhì)。溫度低些，復(fù)原過程進(jìn)行得慢些，溫度升高可加快復(fù)原過溫度低些，復(fù)原過程進(jìn)行得慢些，溫度升高可加快復(fù)原過程。程。23應(yīng)變誘發(fā)塑料應(yīng)變誘發(fā)塑料- -橡膠轉(zhuǎn)變橡膠轉(zhuǎn)變n拉伸前試樣在亞微觀上具有無規(guī)取向的交替層狀結(jié)構(gòu)，其中塑料相和橡膠相都成連續(xù)相。拉伸前試樣在亞微觀上具有無規(guī)取向的交替層狀結(jié)構(gòu)，其中塑料相和橡膠相都成連續(xù)相。連續(xù)塑料相的存在使材料在室溫下呈現(xiàn)塑料性質(zhì)。連續(xù)塑料相的存在使材料在室溫下呈現(xiàn)塑料性質(zhì)。n第一次拉伸至第一次拉伸至80%80%的試樣塑

31、料相發(fā)生歪斜、曲折，并有部分已被撕碎。的試樣塑料相發(fā)生歪斜、曲折，并有部分已被撕碎。n拉伸至拉伸至500%500%時，塑料相已完全被撕裂成分散在橡膠連續(xù)相中的微區(qū)。橡膠相稱為唯一的時，塑料相已完全被撕裂成分散在橡膠連續(xù)相中的微區(qū)。橡膠相稱為唯一的連續(xù)相使材料呈現(xiàn)高彈性，因而拉伸試樣在外力撤去后變形能迅速回復(fù)。塑料分散相微連續(xù)相使材料呈現(xiàn)高彈性，因而拉伸試樣在外力撤去后變形能迅速回復(fù)。塑料分散相微區(qū)則起物理交聯(lián)作用，阻止永久變形的發(fā)生。區(qū)則起物理交聯(lián)作用，阻止永久變形的發(fā)生。n拉伸至拉伸至600%600%的試樣，釋荷后并分別在室溫下放置數(shù)日和在的試樣，釋荷后并分別在室溫下放置數(shù)日和在100oC1

32、00oC下加熱下加熱2 2小時后，塑料連小時后，塑料連續(xù)相的重建已基本完成，交替層狀結(jié)構(gòu)又清晰可見，使材料重新表現(xiàn)出塑料性質(zhì)。續(xù)相的重建已基本完成，交替層狀結(jié)構(gòu)又清晰可見，使材料重新表現(xiàn)出塑料性質(zhì)。24聚合物的脆性斷裂與韌性斷裂聚合物的脆性斷裂與韌性斷裂n聚合物材料的韌性是非金屬材料中難得的可貴性質(zhì)。聚合物材料的韌性是非金屬材料中難得的可貴性質(zhì)。n韌性材料在受到較大應(yīng)力作用，或經(jīng)受變形時，可以發(fā)生屈服，吸收大量的韌性材料在受到較大應(yīng)力作用，或經(jīng)受變形時，可以發(fā)生屈服，吸收大量的能量，它使聚合物材料在實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)生較大的變形或承受較大的沖擊能量，它使聚合物材料在實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)生較大的變形或

33、承受較大的沖擊而不破壞。而不破壞。n但是由于聚合物的黏彈性本質(zhì)及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，聚合物材料的韌性表現(xiàn)是但是由于聚合物的黏彈性本質(zhì)及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，聚合物材料的韌性表現(xiàn)是有條件的，因而脆性斷裂也時常發(fā)生。同一種聚合物材料在不同條件下既可有條件的，因而脆性斷裂也時常發(fā)生。同一種聚合物材料在不同條件下既可以發(fā)生韌性斷裂，也可以發(fā)生脆性斷裂。韌性斷裂和脆性斷裂并沒有嚴(yán)格的以發(fā)生韌性斷裂，也可以發(fā)生脆性斷裂。韌性斷裂和脆性斷裂并沒有嚴(yán)格的界限。界限。n脆性斷裂和韌性斷裂的斷口形貌很不相同，脆性斷裂斷口與外力相垂直，表脆性斷裂和韌性斷裂的斷口形貌很不相同，脆性斷裂斷口與外力相垂直，表面平整光滑，截面積幾乎

34、沒有改變，韌性斷裂的斷口不規(guī)則，表面粗糙，截面平整光滑，截面積幾乎沒有改變，韌性斷裂的斷口不規(guī)則，表面粗糙，截面積縮小。面積縮小。n影響聚合物的斷裂行為的外界條件主要是溫度和應(yīng)變速率。聚合物材料的韌影響聚合物的斷裂行為的外界條件主要是溫度和應(yīng)變速率。聚合物材料的韌性隨溫度的升高而增大，隨應(yīng)變速率的提高而減小，材料的脆性和韌性之間性隨溫度的升高而增大，隨應(yīng)變速率的提高而減小，材料的脆性和韌性之間隨條件的改變而可以互相轉(zhuǎn)化。隨條件的改變而可以互相轉(zhuǎn)化。25聚合物的屈服行為聚合物的屈服行為n脆性聚合物在斷裂前，試樣并沒有明顯的變化，斷裂面一般與拉伸方向相垂直，斷裂面脆性聚合物在斷裂前，試樣并沒有明顯

35、的變化，斷裂面一般與拉伸方向相垂直，斷裂面也很光潔。材料拉伸時，在最大切應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度之前，正應(yīng)力已超過材料的拉伸強(qiáng)也很光潔。材料拉伸時，在最大切應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度之前，正應(yīng)力已超過材料的拉伸強(qiáng)度，因此試樣來不及發(fā)生屈服就斷裂了。度，因此試樣來不及發(fā)生屈服就斷裂了。n韌性聚合物拉伸至屈服點(diǎn)時，常可看到試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成大約韌性聚合物拉伸至屈服點(diǎn)時，常可看到試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成大約4545o o角傾斜的剪切角傾斜的剪切滑移變形帶，或者在材料內(nèi)部形成與拉伸方向傾斜一定角度的滑移變形帶，或者在材料內(nèi)部形成與拉伸方向傾斜一定角度的“剪切帶剪切帶”。材料拉伸時，。材料拉伸時，斜截面升的最大切應(yīng)力首

36、先達(dá)到材料的剪切強(qiáng)度，因此試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成大約斜截面升的最大切應(yīng)力首先達(dá)到材料的剪切強(qiáng)度，因此試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成大約4545o o角傾斜的剪切滑移變形帶，相當(dāng)于材料屈服，進(jìn)一步拉伸時，變形帶中由于分子角傾斜的剪切滑移變形帶，相當(dāng)于材料屈服，進(jìn)一步拉伸時，變形帶中由于分子鏈高度取向強(qiáng)度提高，暫時不再發(fā)生進(jìn)一步變形，而變形帶的邊緣則進(jìn)一步發(fā)生剪切變鏈高度取向強(qiáng)度提高，暫時不再發(fā)生進(jìn)一步變形，而變形帶的邊緣則進(jìn)一步發(fā)生剪切變形，同時傾角為形，同時傾角為135o135o的斜截面上也要發(fā)生剪切滑移變形，因而試樣逐漸生成對稱的細(xì)頸，的斜截面上也要發(fā)生剪切滑移變形，因而試樣逐漸生成對稱的細(xì)頸，直至

37、細(xì)頸擴(kuò)展到整個試樣為止。直至細(xì)頸擴(kuò)展到整個試樣為止。Shear band剪切帶剪切帶聚合物屈服的表現(xiàn)形式聚合物屈服的表現(xiàn)形式脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度度T 和拉伸速率和拉伸速率 有關(guān)有關(guān)。材料的斷裂方式分析材料的斷裂方式分析強(qiáng)度理論值強(qiáng)度理論值29聚合物斷裂的微觀過程聚合物斷裂的微觀過程n從分子結(jié)構(gòu)的角度來看，聚合物之所以具從分子結(jié)構(gòu)的角度來看，聚合物之所以具有抵抗外力破壞的能量，主要靠分子內(nèi)的有抵抗外力破壞的能量，

38、主要靠分子內(nèi)的化學(xué)鍵合力和分子間的范德華力和氫鍵。化學(xué)鍵合力和分子間的范德華力和氫鍵。n如果高分子鏈的排列方向平行于受力方向，如果高分子鏈的排列方向平行于受力方向，則斷裂時可能是化學(xué)鍵的斷裂或分子間的則斷裂時可能是化學(xué)鍵的斷裂或分子間的滑脫。如果高分子鏈的排列方向垂直于受滑脫。如果高分子鏈的排列方向垂直于受力方向，則斷裂時可能是范德華力或氫鍵力方向，則斷裂時可能是范德華力或氫鍵的破壞。的破壞。n實(shí)際聚合物的取向情況是不好的，即使是高度取向的試樣，也達(dá)不實(shí)際聚合物的取向情況是不好的，即使是高度取向的試樣，也達(dá)不到上述那種理想到上述那種理想 的結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷?shí)際高分子鏈的長度是有限的，同時的結(jié)構(gòu)，因?yàn)?/p>

39、實(shí)際高分子鏈的長度是有限的，同時分子鏈也總會或多或少地存在著未取向的部分，因此正常斷裂時，首分子鏈也總會或多或少地存在著未取向的部分，因此正常斷裂時，首先將發(fā)生在未取向部分的氫鍵或范德華力的破壞，隨后應(yīng)力集中到取先將發(fā)生在未取向部分的氫鍵或范德華力的破壞，隨后應(yīng)力集中到取向的主鏈上。向的主鏈上。聚合物的斷裂與強(qiáng)度聚合物的斷裂與強(qiáng)度如何區(qū)分?jǐn)嗔讶绾螀^(qū)分?jǐn)嗔研问?？形式？關(guān)鍵看屈服關(guān)鍵看屈服屈服前斷屈服前斷 脆性斷裂脆性斷裂屈服后斷屈服后斷 韌性斷裂韌性斷裂在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)度在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)度在幾千在幾千MPa，而實(shí)際只有幾十，而實(shí)際只有幾

40、十Mpa 。e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryeriment)100011001(exp聚合物實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度聚合物實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度32影響聚合物強(qiáng)度的因素影響聚合物強(qiáng)度的因素n材料本身：材料本身： 包括高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量及其分布、支化包括高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量及其分布、支化和交聯(lián)、結(jié)晶與取向、增塑劑、共混、填料、應(yīng)和交聯(lián)、結(jié)晶與取向、增塑劑、共混、填料、應(yīng)力集中物等力集中物等n外界條件外界條件: : 包括溫度、濕度、光照、氧化老化、作用力的速包括溫度、濕度、光照、氧化老化、作用力的速度等。度等。高分子本身結(jié)構(gòu)的影響高分子本身結(jié)構(gòu)的影響n高分子具有強(qiáng)度在

41、于主鏈的化學(xué)鍵力和分子間作用力。增加高分子極性或產(chǎn)生氫鍵可使強(qiáng)高分子具有強(qiáng)度在于主鏈的化學(xué)鍵力和分子間作用力。增加高分子極性或產(chǎn)生氫鍵可使強(qiáng)度提高。如低壓聚乙烯的拉伸強(qiáng)度只有度提高。如低壓聚乙烯的拉伸強(qiáng)度只有15-16MPa15-16MPa，聚氯乙烯因有極性基團(tuán)拉伸強(qiáng)度為，聚氯乙烯因有極性基團(tuán)拉伸強(qiáng)度為50MPa50MPa，尼龍，尼龍610610有氫鍵拉伸強(qiáng)度為有氫鍵拉伸強(qiáng)度為60MPa60MPa。極性基團(tuán)或氫鍵的密度愈大，則強(qiáng)度愈高，所。極性基團(tuán)或氫鍵的密度愈大，則強(qiáng)度愈高，所以尼龍以尼龍6666的拉仲強(qiáng)度比尼龍的拉仲強(qiáng)度比尼龍610610還大，達(dá)還大，達(dá)80 MPa80 MPa。如果極性基

42、團(tuán)過密或取代基團(tuán)過大，阻。如果極性基團(tuán)過密或取代基團(tuán)過大，阻礙著鏈段的運(yùn)動，材料變脆。礙著鏈段的運(yùn)動，材料變脆。n主鏈含有芳雜環(huán)的聚合物，其強(qiáng)度和模量都比脂肪族主鏈的高，因此新型的工程塑料大都主鏈含有芳雜環(huán)的聚合物，其強(qiáng)度和模量都比脂肪族主鏈的高，因此新型的工程塑料大都是主鏈含芳雜環(huán)的。例如芳香尼龍的強(qiáng)度和模量比普通尼龍高，聚苯醚比脂肪族聚醚高，是主鏈含芳雜環(huán)的。例如芳香尼龍的強(qiáng)度和模量比普通尼龍高，聚苯醚比脂肪族聚醚高，雙酚雙酚A A聚碳酸酯比脂肪族的聚碳酸酯高。引入芳雜環(huán)側(cè)基時強(qiáng)度和模量也要提高，如聚苯聚碳酸酯比脂肪族的聚碳酸酯高。引入芳雜環(huán)側(cè)基時強(qiáng)度和模量也要提高，如聚苯乙烯的強(qiáng)度和模量

43、比聚乙烯的高。乙烯的強(qiáng)度和模量比聚乙烯的高。n分子鏈支化程度增加，分子間距離增加，分子間作用力減小，因而聚合物的拉伸強(qiáng)度會降分子鏈支化程度增加，分子間距離增加，分子間作用力減小，因而聚合物的拉伸強(qiáng)度會降低，但沖擊強(qiáng)度會提高，如高壓聚乙烯的拉伸強(qiáng)度比低壓聚乙烯的低，而沖擊強(qiáng)度反而比低，但沖擊強(qiáng)度會提高，如高壓聚乙烯的拉伸強(qiáng)度比低壓聚乙烯的低，而沖擊強(qiáng)度反而比低壓聚乙烯高。低壓聚乙烯高。n適度的交聯(lián)可以有效地增加分子鏈間的聯(lián)系，使分子鏈不易發(fā)生相對滑移。隨著交聯(lián)度的適度的交聯(lián)可以有效地增加分子鏈間的聯(lián)系，使分子鏈不易發(fā)生相對滑移。隨著交聯(lián)度的增加，往往不易發(fā)生大的形變，強(qiáng)度增高。例如聚乙烯交聯(lián)后，

44、拉伸強(qiáng)度可以提高一倍，增加，往往不易發(fā)生大的形變，強(qiáng)度增高。例如聚乙烯交聯(lián)后，拉伸強(qiáng)度可以提高一倍，沖擊強(qiáng)度可以提高沖擊強(qiáng)度可以提高3-43-4倍。但是交聯(lián)過程中往往會使聚合物結(jié)晶度下降，取向困難，因而倍。但是交聯(lián)過程中往往會使聚合物結(jié)晶度下降，取向困難，因而過分的交聯(lián)并不總是有利的。過分的交聯(lián)并不總是有利的。n分子量對拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響也有一些差別。分子量低時，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都分子量對拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響也有一些差別。分子量低時，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都低，隨著分子量的增大，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都會提高。但是當(dāng)分子量超過一定的數(shù)值以低，隨著分子量的增大，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都會提高。但

45、是當(dāng)分子量超過一定的數(shù)值以后，拉伸強(qiáng)度的變化就不大了，而沖擊強(qiáng)度則繼續(xù)增大。人們制取超高分子量聚乙烯后，拉伸強(qiáng)度的變化就不大了，而沖擊強(qiáng)度則繼續(xù)增大。人們制取超高分子量聚乙烯(M(M5 510105 5-4-410106 6) )的目的之一就是為了提高它的沖擊性能，它的沖擊強(qiáng)度比普通低壓聚乙烯的目的之一就是為了提高它的沖擊性能，它的沖擊強(qiáng)度比普通低壓聚乙烯提高提高3 3倍多，在一倍多，在一4040時甚至可提高時甚至可提高1818倍之多。倍之多。The Size of Spherulites 球晶大小35結(jié)晶和取向的影響結(jié)晶和取向的影響n結(jié)晶度增加，對提高拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彈性模量有好處。如在

46、聚丙烯中無結(jié)晶度增加，對提高拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彈性模量有好處。如在聚丙烯中無規(guī)結(jié)構(gòu)的含量增加，使聚丙烯的結(jié)晶度降低，則拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都下降。規(guī)結(jié)構(gòu)的含量增加，使聚丙烯的結(jié)晶度降低，則拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都下降。然而，如果結(jié)晶度太高，則要導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率的降低，聚合物材料然而，如果結(jié)晶度太高，則要導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率的降低，聚合物材料就要變脆，反而沒有好處。就要變脆，反而沒有好處。n對結(jié)晶聚合物的沖擊強(qiáng)度影響更大的是聚合物的球晶結(jié)構(gòu)。如果在緩慢的冷卻對結(jié)晶聚合物的沖擊強(qiáng)度影響更大的是聚合物的球晶結(jié)構(gòu)。如果在緩慢的冷卻和退火過程中生成了大球晶的話，那么聚合物的沖擊強(qiáng)度就要顯著下降，

47、因此和退火過程中生成了大球晶的話，那么聚合物的沖擊強(qiáng)度就要顯著下降，因此有些結(jié)晶性聚合物在成型過程中加入成核劑，使它生成微晶而不生成球晶，以有些結(jié)晶性聚合物在成型過程中加入成核劑，使它生成微晶而不生成球晶，以提高聚合物的沖擊強(qiáng)度。所以在原料選定以后，成型加工的溫度和后處理的條提高聚合物的沖擊強(qiáng)度。所以在原料選定以后，成型加工的溫度和后處理的條件，對結(jié)晶聚合物的機(jī)械性能有很大影響。件，對結(jié)晶聚合物的機(jī)械性能有很大影響。n取向可以使材料的強(qiáng)度提高幾倍甚至幾十倍。這在合成纖維工業(yè)中是提高纖維取向可以使材料的強(qiáng)度提高幾倍甚至幾十倍。這在合成纖維工業(yè)中是提高纖維強(qiáng)度的一個必不可少的措施。對于薄膜和板材也

48、可以利用取向來提高其強(qiáng)度。強(qiáng)度的一個必不可少的措施。對于薄膜和板材也可以利用取向來提高其強(qiáng)度。因?yàn)槿∠蚝蟾叻肿渔滍樦饬Φ姆较蚱叫械嘏帕衅饋恚箶嗔褧r破壞主價鍵的因?yàn)槿∠蚝蟾叻肿渔滍樦饬Φ姆较蚱叫械嘏帕衅饋?，使斷裂時破壞主價鍵的比例大大增加而主價鍵的強(qiáng)度比范德華力的強(qiáng)度高比例大大增加而主價鍵的強(qiáng)度比范德華力的強(qiáng)度高2020倍左右。另外取向后可倍左右。另外取向后可以阻礙裂縫向縱深發(fā)展，拉斷材料就得用比較大的力氣。以阻礙裂縫向縱深發(fā)展，拉斷材料就得用比較大的力氣。The Degree of Crystallization 結(jié)晶度Griffith crack theory斷裂理論斷裂理論為什么材料

49、的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)為什么材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度？遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度？存在缺陷存在缺陷為什么在缺陷處斷裂？為什么在缺陷處斷裂？缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力多大？缺陷處應(yīng)力多大？Griffith theory38應(yīng)力集中物的影響應(yīng)力集中物的影響n如果材料存在缺陷，受力時材料內(nèi)部的應(yīng)力平均分如果材料存在缺陷，受力時材料內(nèi)部的應(yīng)力平均分布狀態(tài)將發(fā)生變化，使缺陷附近局部范圍內(nèi)的應(yīng)力布狀態(tài)將發(fā)生變化，使缺陷附近局部范圍內(nèi)的應(yīng)力急劇地增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過應(yīng)力平均值，這種現(xiàn)象稱為急劇地增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過應(yīng)力平均值，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。對于無限大薄板，圓孔端的最大應(yīng)力是應(yīng)力集中。對于無限大薄板，圓孔端的最大應(yīng)力

50、是板上平均應(yīng)力的板上平均應(yīng)力的3 3倍。橢圓孔越是扁平，孔端的應(yīng)力倍。橢圓孔越是扁平，孔端的應(yīng)力集中越嚴(yán)重。集中越嚴(yán)重。n各種缺陷在聚合物的加工成型過程中是普遍存在的。例如在加工時，由于混煉各種缺陷在聚合物的加工成型過程中是普遍存在的。例如在加工時，由于混煉不勻、塑化不足造成的微小氣泡和接痕，生產(chǎn)過程中也常會混進(jìn)一些雜質(zhì)，更難不勻、塑化不足造成的微小氣泡和接痕，生產(chǎn)過程中也常會混進(jìn)一些雜質(zhì)，更難以避免的是在成型過程中，由于制件表里冷卻速度不同，表面物料接觸溫度較低以避免的是在成型過程中，由于制件表里冷卻速度不同，表面物料接觸溫度較低的模壁，迅速冷卻固化成一層硬殼，而制件內(nèi)部的物料卻還處在熔融狀

51、態(tài)，隨著的模壁，迅速冷卻固化成一層硬殼，而制件內(nèi)部的物料卻還處在熔融狀態(tài)，隨著它的冷卻收縮便使制件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而形成細(xì)小的銀紋，甚至于微裂縫，它的冷卻收縮便使制件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而形成細(xì)小的銀紋，甚至于微裂縫，在制件的表皮上將出現(xiàn)龜裂。上述各類缺陷就是應(yīng)力集中物，盡管非常微小，有在制件的表皮上將出現(xiàn)龜裂。上述各類缺陷就是應(yīng)力集中物，盡管非常微小，有的甚至肉眼不能發(fā)現(xiàn)，但是卻成為降低聚合物機(jī)械強(qiáng)度的致命弱點(diǎn)，是造成聚合的甚至肉眼不能發(fā)現(xiàn)，但是卻成為降低聚合物機(jī)械強(qiáng)度的致命弱點(diǎn)，是造成聚合物實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度之間巨大差別的主要原因之一。物實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度之間巨大差別的主要原因之一。應(yīng)力集

52、中物的影響應(yīng)力集中物的影響n當(dāng)玻璃纖維的直徑降低到當(dāng)玻璃纖維的直徑降低到0.1mm0.1mm以下時，其強(qiáng)度開始急劇以下時，其強(qiáng)度開始急劇上升，這說明纖維直徑減小，有利于減小纖維表里的差上升，這說明纖維直徑減小，有利于減小纖維表里的差別，減小缺陷出現(xiàn)的幾率，正是根據(jù)這一原理，合成纖別，減小缺陷出現(xiàn)的幾率，正是根據(jù)這一原理，合成纖維生產(chǎn)中先將纖維抽成很細(xì)的單絲，然后再將單絲紡成維生產(chǎn)中先將纖維抽成很細(xì)的單絲，然后再將單絲紡成較粗的紗或線。較粗的紗或線。n經(jīng)氫氟酸侵蝕后，纖維的強(qiáng)度顯著提高了，而且深度侵經(jīng)氫氟酸侵蝕后，纖維的強(qiáng)度顯著提高了，而且深度侵蝕的纖維強(qiáng)度更高。這有力地證明纖維表面裂縫的存在蝕

53、的纖維強(qiáng)度更高。這有力地證明纖維表面裂縫的存在及其對強(qiáng)度的嚴(yán)重危害。表面裂縫對降低材料強(qiáng)度的巨及其對強(qiáng)度的嚴(yán)重危害。表面裂縫對降低材料強(qiáng)度的巨大作用，與材料表面不可避免地要吸附一些活性物質(zhì)大作用，與材料表面不可避免地要吸附一些活性物質(zhì)例如水汽或油類等例如水汽或油類等) )有關(guān)，這些表面活性物質(zhì)通常與聚有關(guān)，這些表面活性物質(zhì)通常與聚合物之間有很好的親和力，當(dāng)聚合物受力時，由于這些合物之間有很好的親和力，當(dāng)聚合物受力時，由于這些物質(zhì)浸潤聚合物的表面，降低表面能，因而將對表面裂物質(zhì)浸潤聚合物的表面，降低表面能，因而將對表面裂縫的擴(kuò)展起加速作用?？p的擴(kuò)展起加速作用。玻璃纖維的實(shí)測強(qiáng)度對直徑玻璃纖維的實(shí)

54、測強(qiáng)度對直徑d d的關(guān)系的關(guān)系未處理；未處理；HFHF侵蝕侵蝕2-102-10 m m；深度侵蝕深度侵蝕n應(yīng)力集中的原理表明，缺陷的形狀不同，應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中的原理表明，缺陷的形狀不同，應(yīng)力集中系數(shù)( (最大局部最大局部應(yīng)力與平均應(yīng)力之比值應(yīng)力與平均應(yīng)力之比值) )也不同，銳口的缺陷的應(yīng)力集中系數(shù)比鈍口也不同，銳口的缺陷的應(yīng)力集中系數(shù)比鈍口的要大得多，造成更大的應(yīng)力集中，使其最大應(yīng)力大大超過材料的的要大得多，造成更大的應(yīng)力集中，使其最大應(yīng)力大大超過材料的破壞強(qiáng)度，致使制件從這小裂縫開始發(fā)生破壞。根據(jù)這個原理，一破壞強(qiáng)度，致使制件從這小裂縫開始發(fā)生破壞。根據(jù)這個原理，一般制品的設(shè)計(jì)總是盡量避

55、免有尖銳的轉(zhuǎn)角，而是將制品的轉(zhuǎn)彎處做般制品的設(shè)計(jì)總是盡量避免有尖銳的轉(zhuǎn)角，而是將制品的轉(zhuǎn)彎處做成圓弧形的。成圓弧形的。40增塑劑的影響增塑劑的影響n增塑劑的加入對聚合物起了稀釋作用，減小了高分子鏈之間的作增塑劑的加入對聚合物起了稀釋作用，減小了高分子鏈之間的作用力，因而強(qiáng)度降低，強(qiáng)度的降低值與增塑劑的加入量約成正比。用力，因而強(qiáng)度降低，強(qiáng)度的降低值與增塑劑的加入量約成正比。n水對許多極性聚合物來說是一種廣義的增塑劑，例如酚醛塑料在水對許多極性聚合物來說是一種廣義的增塑劑，例如酚醛塑料在水中浸泡后強(qiáng)度明顯降低；當(dāng)相對濕度從水中浸泡后強(qiáng)度明顯降低；當(dāng)相對濕度從0 0增至增至100100時，醋酸纖時

56、，醋酸纖維的拉伸強(qiáng)度可降低至原來的維的拉伸強(qiáng)度可降低至原來的l l4 4左右，所以合成纖維的吸濕能左右，所以合成纖維的吸濕能力越大時，它們的濕態(tài)強(qiáng)度和干態(tài)強(qiáng)度之差就愈大。力越大時，它們的濕態(tài)強(qiáng)度和干態(tài)強(qiáng)度之差就愈大。n另一方面，由于增塑劑使鏈段運(yùn)動能力增強(qiáng)，故隨著增塑劑含量另一方面，由于增塑劑使鏈段運(yùn)動能力增強(qiáng)，故隨著增塑劑含量的增加，材料的沖擊強(qiáng)度提高。的增加，材料的沖擊強(qiáng)度提高。(b) 不同的拉伸速率不同的拉伸速率1234Strain rate拉伸速率拉伸速率Example: PMMA42外力作用速度的影響外力作用速度的影響n聚合物是黏彈性材料，破壞過程是一種松弛過程。聚合物是黏彈性材料，

57、破壞過程是一種松弛過程。如果一種聚合物材料在拉伸實(shí)驗(yàn)中鏈段運(yùn)動的松如果一種聚合物材料在拉伸實(shí)驗(yàn)中鏈段運(yùn)動的松弛時間與拉伸速度相適應(yīng)，則材料在斷裂前可以弛時間與拉伸速度相適應(yīng)，則材料在斷裂前可以發(fā)生屈服，出現(xiàn)強(qiáng)迫高彈性。當(dāng)拉伸速度提高時，發(fā)生屈服，出現(xiàn)強(qiáng)迫高彈性。當(dāng)拉伸速度提高時，鏈段運(yùn)動跟不上外力的作用，為使材料屈服，需鏈段運(yùn)動跟不上外力的作用，為使材料屈服，需要更大的外力，即材料的屈服強(qiáng)度提高了；進(jìn)一要更大的外力，即材料的屈服強(qiáng)度提高了；進(jìn)一步提高拉伸速度，材料終將在更高的應(yīng)力下發(fā)生步提高拉伸速度，材料終將在更高的應(yīng)力下發(fā)生脆性斷裂。反之，當(dāng)拉伸速度減慢時，屈服強(qiáng)度脆性斷裂。反之，當(dāng)拉伸速度

58、減慢時，屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度都將降低。和斷裂強(qiáng)度都將降低。增韌聚苯乙烯不同速度拉增韌聚苯乙烯不同速度拉伸時的伸時的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線增強(qiáng)增強(qiáng) Reinforcement活性粒子（活性粒子（ Powder）纖維纖維 Fiber液晶液晶 Liquid CrystalC ，SiO2Glass fiber, Carbon fiberPolyesterFiller填料增增 強(qiáng)強(qiáng) 途途 徑徑polymer based concrete containing spherical inorganic particles45填料的影響填料的影響- -纖維狀填料纖維狀填料n纖維增強(qiáng)塑料的強(qiáng)度與填料本纖維增強(qiáng)塑

59、料的強(qiáng)度與填料本身的強(qiáng)度有關(guān)，也與聚合物和身的強(qiáng)度有關(guān)，也與聚合物和纖維之間的黏著力有關(guān)。纖維纖維之間的黏著力有關(guān)。纖維的強(qiáng)度與其成分有關(guān)，在纖維的強(qiáng)度與其成分有關(guān)，在纖維確定之后，增強(qiáng)的效果與纖維確定之后，增強(qiáng)的效果與纖維的長度、填料和樹脂的配比、的長度、填料和樹脂的配比、纖維的織構(gòu)以及纖維的表面處纖維的織構(gòu)以及纖維的表面處理等因素有關(guān)。理等因素有關(guān)。纖維的表面處理主要是去油（溶劑洗滌或熱處理）、去吸附水（硅烷化）及表面纖維的表面處理主要是去油（溶劑洗滌或熱處理）、去吸附水（硅烷化）及表面活化（化學(xué)處理），以提高玻璃纖維與樹脂的黏附性。纖維表面處理沒有做好，活化（化學(xué)處理），以提高玻璃纖維與

60、樹脂的黏附性。纖維表面處理沒有做好，選再優(yōu)秀的樹脂和纖維也得不到高強(qiáng)度的材料。因此，改善樹脂和纖維之間的界選再優(yōu)秀的樹脂和纖維也得不到高強(qiáng)度的材料。因此，改善樹脂和纖維之間的界面黏合問題成了進(jìn)一步提高高性能復(fù)合材料強(qiáng)度的重要研究課題。面黏合問題成了進(jìn)一步提高高性能復(fù)合材料強(qiáng)度的重要研究課題。左圖有碳纖維從樹脂中拔出，右圖碳纖維表面左圖有碳纖維從樹脂中拔出，右圖碳纖維表面仍然留有牢牢黏附其上的樹脂，有更好的樹脂仍然留有牢牢黏附其上的樹脂，有更好的樹脂- -纖維界面黏合，具有更高的強(qiáng)度。纖維界面黏合，具有更高的強(qiáng)度。fatigue fracture surfaceSEM fracture surf