高分子的力學(xué)性能

1、Polymer PhysicsPolymer PhysicsPolymer Physics高分子物理高分子物理高分子物理高分子物理高分子物理高分子物理Mechanical PropertiesTensile 拉伸n拉伸強(qiáng)度，拉伸（楊氏）模量，斷裂伸長(zhǎng)率，屈服強(qiáng)度，100定伸應(yīng)力Impact 沖擊n懸臂梁，簡(jiǎn)支梁，落錘n缺口，無(wú)缺口Banding 彎曲n強(qiáng)度，模量Friction 摩擦n摩擦系數(shù)，磨損量Stress-strain curve 應(yīng)力-應(yīng)變曲線0AF000lllllTensile stressTensile strainTrue stress 拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)變真應(yīng)力A0FFl0 ll

2、AFATypical stress-strain curveY: yield pointB: break pointYoungs Modulus 屈服點(diǎn)斷裂點(diǎn)楊氏模量byby0YBy: yield strength 屈服強(qiáng)度b: break strength 斷裂強(qiáng)度y: elongation at yield 屈服伸長(zhǎng)率y: elongation at break 斷裂伸長(zhǎng)率Tensile strength 拉伸強(qiáng)度byt,tanEFracture energy 斷裂能: OYB面積YBMolecular motion during tensile test 拉伸過(guò)程中高分子鏈的運(yùn)動(dòng)I El

3、astic deformationIII Viscous flow 普彈形變普彈形變鍵長(zhǎng)鍵角運(yùn)動(dòng)，可回復(fù)鍵長(zhǎng)鍵角運(yùn)動(dòng)，可回復(fù)強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變鏈段沿外力方向取向鏈段沿外力方向取向加熱至加熱至T Tg g以上可恢復(fù)以上可恢復(fù)粘流形變粘流形變整鏈相互滑移或斷鏈整鏈相互滑移或斷鏈不可回復(fù)不可回復(fù)by0YBIIIIIIII Forced rubber-like deformationTypes of stress-strain curve 應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型序號(hào)序號(hào)12345類型類型硬而脆硬而脆硬而強(qiáng)硬而強(qiáng)強(qiáng)而韌強(qiáng)而韌軟而韌軟而韌軟而弱軟而弱曲線曲線模量模量高高高高高高低低低低拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度

4、中中高高高高中中低低斷裂伸長(zhǎng)率斷裂伸長(zhǎng)率小小中中大大很大很大中中斷裂能斷裂能小小中中大大大大小小實(shí)例實(shí)例PS PMMA酚醛樹(shù)脂酚醛樹(shù)脂硬硬PVCASPC ABS HDPE硫化橡膠硫化橡膠軟軟PVC未硫化橡膠未硫化橡膠齊聚物齊聚物軟軟硬：模量硬：模量強(qiáng)強(qiáng)弱：拉伸強(qiáng)度弱：拉伸強(qiáng)度韌韌脆：斷裂能脆：斷裂能True stress-strain curve 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線True stress 真應(yīng)力AF1000AllAA110AFy0無(wú)體積變化且均勻變形Considre drawing Considre作圖法How to find yield point in true stress-strain

5、curve?屈服點(diǎn)定義y010dd101112dd1dd在真應(yīng)力在真應(yīng)力-應(yīng)變圖上從橫坐標(biāo)點(diǎn)應(yīng)變圖上從橫坐標(biāo)點(diǎn) = 1向曲線上作切線，其切點(diǎn)就是屈服點(diǎn)，向曲線上作切線，其切點(diǎn)就是屈服點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的真應(yīng)力就是屈服真應(yīng)力。對(duì)應(yīng)的真應(yīng)力就是屈服真應(yīng)力。Three types of true stress-strain curve 三種真應(yīng)力-應(yīng)變曲線1.從橫坐標(biāo)點(diǎn)不能向曲線上作切線，這種聚合物拉伸時(shí)隨負(fù)荷增大而均從橫坐標(biāo)點(diǎn)不能向曲線上作切線，這種聚合物拉伸時(shí)隨負(fù)荷增大而均勻伸長(zhǎng)，但不能成頸。勻伸長(zhǎng)，但不能成頸。2.從橫坐標(biāo)點(diǎn)可向曲線上作一條切線，切點(diǎn)即為屈服點(diǎn)，聚合物拉伸時(shí)從橫坐標(biāo)點(diǎn)可向曲線上作一條切線

6、，切點(diǎn)即為屈服點(diǎn)，聚合物拉伸時(shí)隨負(fù)荷增大而均勻伸長(zhǎng)，到切點(diǎn)時(shí)成頸，隨后細(xì)頸逐漸變細(xì)，負(fù)荷下隨負(fù)荷增大而均勻伸長(zhǎng)，到切點(diǎn)時(shí)成頸，隨后細(xì)頸逐漸變細(xì)，負(fù)荷下降直至斷裂。降直至斷裂。3.從橫坐標(biāo)點(diǎn)可向曲線上作二條切線，在從橫坐標(biāo)點(diǎn)可向曲線上作二條切線，在A處達(dá)極大值，成頸，進(jìn)一步拉處達(dá)極大值，成頸，進(jìn)一步拉伸時(shí)沿曲線下降直至伸時(shí)沿曲線下降直至B點(diǎn)，之后應(yīng)力穩(wěn)定在點(diǎn)，之后應(yīng)力穩(wěn)定在B點(diǎn)。細(xì)頸穩(wěn)定，試樣被冷點(diǎn)。細(xì)頸穩(wěn)定，試樣被冷拉，直至試樣全部變成細(xì)頸，最后，進(jìn)一步拉伸則繼續(xù)發(fā)展直至斷裂。拉，直至試樣全部變成細(xì)頸，最后，進(jìn)一步拉伸則繼續(xù)發(fā)展直至斷裂。AB00011Cold drawing 冷拉Neck細(xì)頸

7、q 脆性聚合物在斷裂前試樣并沒(méi)脆性聚合物在斷裂前試樣并沒(méi)有明顯變化，斷裂面一般與拉有明顯變化，斷裂面一般與拉伸方向垂直，而且很光潔伸方向垂直，而且很光潔q 韌性聚合物在屈服后產(chǎn)生細(xì)頸韌性聚合物在屈服后產(chǎn)生細(xì)頸（neck），之后細(xì)頸逐漸擴(kuò)展，），之后細(xì)頸逐漸擴(kuò)展，應(yīng)變?cè)黾佣鴳?yīng)力不變，這種現(xiàn)應(yīng)變?cè)黾佣鴳?yīng)力不變，這種現(xiàn)象稱為象稱為冷拉冷拉（cold drawing），），直至細(xì)頸擴(kuò)展到整個(gè)試樣，應(yīng)直至細(xì)頸擴(kuò)展到整個(gè)試樣，應(yīng)力才重新增加并使試樣斷裂力才重新增加并使試樣斷裂q 冷拉是強(qiáng)迫高彈形變，對(duì)于非冷拉是強(qiáng)迫高彈形變，對(duì)于非晶聚合物，主要是鏈段取向；晶聚合物，主要是鏈段取向；對(duì)于結(jié)晶聚合物，主要是片

8、晶對(duì)于結(jié)晶聚合物，主要是片晶的變形的變形Necking and cold drawingPrinciple of Yielding 屈服原理q 韌性聚合物在屈服點(diǎn)時(shí)?？煽吹皆嚇禹g性聚合物在屈服點(diǎn)時(shí)?？煽吹皆嚇由铣霈F(xiàn)與拉伸方向成約上出現(xiàn)與拉伸方向成約45 角傾斜的角傾斜的剪切滑移變形帶（剪切滑移變形帶（Shear band)，并，并且逐漸生成對(duì)稱的細(xì)頸且逐漸生成對(duì)稱的細(xì)頸Analysis of the stress during tensile testF/FF0AA聚合物為什么會(huì)屈服？屈服后為什么會(huì)產(chǎn)生細(xì)頸？聚合物為什么會(huì)屈服？屈服后為什么會(huì)產(chǎn)生細(xì)頸？ AFcos0AA sin/FF cosF

9、F 2sin21cossin00/AFAF2020coscosAFAF2sin210/20cos00/04520/20900/0q韌性材料拉伸時(shí)，斜截面上的最大切應(yīng)力首先增加到材料的剪切強(qiáng)韌性材料拉伸時(shí)，斜截面上的最大切應(yīng)力首先增加到材料的剪切強(qiáng)度，因此材料屈服，并出現(xiàn)與拉伸方向成度，因此材料屈服，并出現(xiàn)與拉伸方向成45 角的剪切滑移變形帶。角的剪切滑移變形帶。進(jìn)一步拉伸時(shí)，剪切帶中由于分子鏈高度取向強(qiáng)度提高，暫時(shí)不發(fā)進(jìn)一步拉伸時(shí)，剪切帶中由于分子鏈高度取向強(qiáng)度提高，暫時(shí)不發(fā)生進(jìn)一步的變形。而其邊緣則進(jìn)一步發(fā)生剪切變形。同樣，在生進(jìn)一步的變形。而其邊緣則進(jìn)一步發(fā)生剪切變形。同樣，在135 的斜

10、截面上也發(fā)生剪切變形，因而試樣逐漸生成對(duì)稱的細(xì)頸，直至的斜截面上也發(fā)生剪切變形，因而試樣逐漸生成對(duì)稱的細(xì)頸，直至細(xì)頸擴(kuò)展至整個(gè)試樣細(xì)頸擴(kuò)展至整個(gè)試樣q脆性試樣在最大切應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度之前，橫截面上的法向正應(yīng)力脆性試樣在最大切應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度之前，橫截面上的法向正應(yīng)力已達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度，因此試樣還來(lái)不及屈服就斷裂了，而且斷已達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度，因此試樣還來(lái)不及屈服就斷裂了，而且斷面與拉伸方向相垂直。面與拉伸方向相垂直。Principle of Yielding 屈服原理Shear band and Craze 剪切帶和銀紋剪切帶剪切帶q 剪切帶是韌性聚合物在單向拉伸至屈剪切帶是韌性聚合物在單向

11、拉伸至屈服點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)的與拉伸方向成約服點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)的與拉伸方向成約45 角傾角傾斜的剪切滑移變形帶斜的剪切滑移變形帶q 剪切帶的厚度約剪切帶的厚度約1 m，在剪切帶內(nèi)部，在剪切帶內(nèi)部，高分子鏈沿外力方向高度取向高分子鏈沿外力方向高度取向q 剪切帶內(nèi)部沒(méi)有空隙，因此，形變過(guò)剪切帶內(nèi)部沒(méi)有空隙，因此，形變過(guò)程沒(méi)有明顯的體積變化程沒(méi)有明顯的體積變化q 剪切帶的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量能量。剪切帶的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量能量。同時(shí)，由于發(fā)生取向硬化，阻止了形同時(shí)，由于發(fā)生取向硬化，阻止了形變的進(jìn)一步發(fā)展變的進(jìn)一步發(fā)展Shear band 剪切帶裂縫裂縫銀紋銀紋Shear band and Craze 剪切帶和銀紋

12、q 銀紋是聚合物在應(yīng)力作用下，于材料的某些銀紋是聚合物在應(yīng)力作用下，于材料的某些薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形薄弱環(huán)節(jié)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)的微細(xì)的空化條紋狀形變區(qū)應(yīng)力方向上出現(xiàn)的微細(xì)的空化條紋狀形變區(qū)Craze 銀紋q 銀紋的長(zhǎng)約銀紋的長(zhǎng)約100 m、寬約、寬約10 m、厚約、厚約1 m，外形與裂縫，外形與裂縫（Crack）相似，但裂縫內(nèi)部是空的，而銀紋內(nèi)部有許多高）相似，但裂縫內(nèi)部是空的，而銀紋內(nèi)部有許多高度取向的聚合物微纖，這些微纖把銀紋體的兩個(gè)面連接起來(lái)度取向的聚合物微纖，這些微纖

13、把銀紋體的兩個(gè)面連接起來(lái)并沿外力方向取向，微纖之間為空隙隔開(kāi)。銀紋體中聚合物并沿外力方向取向，微纖之間為空隙隔開(kāi)。銀紋體中聚合物的體積分?jǐn)?shù)約為的體積分?jǐn)?shù)約為4060%。銀紋進(jìn)一步發(fā)展，以至于微纖斷。銀紋進(jìn)一步發(fā)展，以至于微纖斷裂時(shí)，就成為裂縫裂時(shí)，就成為裂縫q 銀紋形變導(dǎo)致的體積增加，而截面積基本不變銀紋形變導(dǎo)致的體積增加，而截面積基本不變q 銀紋的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量能量銀紋的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量能量Shear band and Craze 剪切帶和銀紋q 銀紋和剪切變形帶是聚合物形變的兩種主要形式銀紋和剪切變形帶是聚合物形變的兩種主要形式q 某種聚合物采取什么形式主要取決于其臨界纏結(jié)分子量

14、某種聚合物采取什么形式主要取決于其臨界纏結(jié)分子量Mc，非晶態(tài)聚合物的分子量達(dá)到，非晶態(tài)聚合物的分子量達(dá)到Mc以上時(shí)就會(huì)產(chǎn)生分以上時(shí)就會(huì)產(chǎn)生分子間纏結(jié)，形成物理交聯(lián)點(diǎn)子間纏結(jié)，形成物理交聯(lián)點(diǎn)q PS等脆性聚合物的等脆性聚合物的Mc（19000）較大，纏結(jié)點(diǎn)密度低，）較大，纏結(jié)點(diǎn)密度低，纏結(jié)鏈伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度大，容易產(chǎn)生銀紋纏結(jié)鏈伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度大，容易產(chǎn)生銀紋q PC等韌性聚合物的等韌性聚合物的Mc（2490）較小，纏結(jié)點(diǎn)密度高，）較小，纏結(jié)點(diǎn)密度高，纏結(jié)鏈伸展較困難，容易發(fā)生應(yīng)變硬化，這種情況下銀纏結(jié)鏈伸展較困難，容易發(fā)生應(yīng)變硬化，這種情況下銀紋化形變不會(huì)得到充分發(fā)展，當(dāng)應(yīng)力增大到剪切屈服應(yīng)紋化形變不會(huì)得

15、到充分發(fā)展，當(dāng)應(yīng)力增大到剪切屈服應(yīng)力時(shí)，試樣即可產(chǎn)生剪切形變力時(shí)，試樣即可產(chǎn)生剪切形變Griffith Fracture Theory Griffith斷裂理論q 該理論由該理論由Griffith于于60年前為解釋玻璃纖維的年前為解釋玻璃纖維的斷裂強(qiáng)度而提出，目前廣泛應(yīng)用于金屬和非斷裂強(qiáng)度而提出，目前廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的斷裂現(xiàn)象金屬材料的斷裂現(xiàn)象 q Griffith認(rèn)為，實(shí)際的脆性固體在受到外力作認(rèn)為，實(shí)際的脆性固體在受到外力作用時(shí)，由于局部不均勻性，會(huì)在垂直于主應(yīng)用時(shí)，由于局部不均勻性，會(huì)在垂直于主應(yīng)力方向上產(chǎn)生裂縫，在裂縫的兩端產(chǎn)生應(yīng)力力方向上產(chǎn)生裂縫，在裂縫的兩端產(chǎn)生應(yīng)力集中。

16、當(dāng)局部應(yīng)力超過(guò)材料的內(nèi)聚力時(shí)，就集中。當(dāng)局部應(yīng)力超過(guò)材料的內(nèi)聚力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致裂縫增長(zhǎng)并進(jìn)而使材料斷裂會(huì)導(dǎo)致裂縫增長(zhǎng)并進(jìn)而使材料斷裂 Stress Concentration 應(yīng)力集中應(yīng)力集中2b2am00Stress distribution near an ellipsoid在無(wú)限大的平板上刻一橢圓孔。在垂直于長(zhǎng)軸方向施以均在無(wú)限大的平板上刻一橢圓孔。在垂直于長(zhǎng)軸方向施以均勻張應(yīng)力，則在橢圓孔附近存在應(yīng)力集中，兩端的應(yīng)力最勻張應(yīng)力，則在橢圓孔附近存在應(yīng)力集中，兩端的應(yīng)力最大。大。Lnglis導(dǎo)得導(dǎo)得 bam210am02橢圓橢圓裂縫裂縫a b裂縫尖端曲率半徑Griffith Equation

17、 GriffithGriffith方程方程q Griffith線彈性斷裂理論從能量平衡的觀點(diǎn)分析線彈性斷裂理論從能量平衡的觀點(diǎn)分析斷裂過(guò)程。認(rèn)為斷裂過(guò)程。認(rèn)為q 斷裂產(chǎn)生的新表面所需要的表面能是由材料內(nèi)部的斷裂產(chǎn)生的新表面所需要的表面能是由材料內(nèi)部的彈性儲(chǔ)能的減少來(lái)補(bǔ)償?shù)膹椥詢?chǔ)能的減少來(lái)補(bǔ)償?shù)膓 裂縫附近集中了大量的彈性儲(chǔ)能，所以材料在裂縫裂縫附近集中了大量的彈性儲(chǔ)能，所以材料在裂縫處先行斷裂處先行斷裂sWAU裂縫面積彈性儲(chǔ)能單位面積裂縫的表面能212aEsc裂縫發(fā)展裂縫發(fā)展的條件的條件表面能彈性模量臨界臨界應(yīng)力應(yīng)力Griffith Equation KI KIC 時(shí)破壞時(shí)破壞212aEscG

18、riffith Equation Easc221應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子Stress Intensity Factor 應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子21IaKKIC材料本身材料本身的性質(zhì)的性質(zhì) C 時(shí)破壞時(shí)破壞Molecular Theory 斷裂的分子理論q 分子理論認(rèn)為，材料的斷分子理論認(rèn)為，材料的斷裂是松弛過(guò)程，宏觀斷裂裂是松弛過(guò)程，宏觀斷裂是微觀化學(xué)鍵斷裂的熱活是微觀化學(xué)鍵斷裂的熱活化過(guò)程。當(dāng)原子熱運(yùn)動(dòng)的化過(guò)程。當(dāng)原子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)規(guī)熱漲落能量超過(guò)束縛無(wú)規(guī)熱漲落能量超過(guò)束縛原子間的位壘時(shí)，會(huì)使化原子間的位壘時(shí)，會(huì)使化學(xué)鍵離解，從而發(fā)生斷裂學(xué)鍵離解，從而發(fā)生斷裂 ，這個(gè)過(guò)程與時(shí)間有關(guān)這個(gè)過(guò)程與時(shí)

19、間有關(guān)q 材料從完好狀態(tài)到斷裂的材料從完好狀態(tài)到斷裂的時(shí)間稱為承載壽命時(shí)間稱為承載壽命q 外力降低了活化位壘，致外力降低了活化位壘，致使壽命降低，即材料易斷使壽命降低，即材料易斷裂裂U0U0DistanceEnergyAABPotential barrier of a chemical bondBlue: without stressRed: with stressActivation energy of fracture 斷裂活化能斷裂活化能q 在拉伸應(yīng)力作用下，材料壽命與應(yīng)力的關(guān)系為在拉伸應(yīng)力作用下，材料壽命與應(yīng)力的關(guān)系為RTU00expRTUC0ln聚合物聚合物斷裂活化能斷裂活化能U0

20、103 J/mol熱分解活化能熱分解活化能U 103 J/molPVC146134PE226230PMMA226218222PP235230243PTFE314318335Nylon66118180聚合物斷裂活化能與聚合物斷裂活化能與熱分解活化能的比較熱分解活化能的比較斷裂活化能活化體積測(cè)定不同測(cè)定不同 、T下的下的ln ，就可求得就可求得U0，發(fā)現(xiàn)與熱，發(fā)現(xiàn)與熱分解活化能相當(dāng)接近，分解活化能相當(dāng)接近，說(shuō)明假設(shè)正確說(shuō)明假設(shè)正確Theoretical strength 理論強(qiáng)度q 從分子結(jié)構(gòu)的角度看，聚合物之所以有抵抗從分子結(jié)構(gòu)的角度看，聚合物之所以有抵抗外力破壞的能力，主要靠分子內(nèi)的化學(xué)鍵和外

21、力破壞的能力，主要靠分子內(nèi)的化學(xué)鍵和分子間的范德華力和氫鍵分子間的范德華力和氫鍵q 如果不考慮其他因素的影響，可以由微觀角如果不考慮其他因素的影響，可以由微觀角度計(jì)算出聚合物的理論強(qiáng)度度計(jì)算出聚合物的理論強(qiáng)度q 為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，把聚合物斷裂的微觀過(guò)程歸為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，把聚合物斷裂的微觀過(guò)程歸納為三種納為三種q 化學(xué)鍵破壞化學(xué)鍵破壞 q 分子間滑脫分子間滑脫 q 范德華力或氫鍵破壞范德華力或氫鍵破壞Chain scission 斷鏈q 斷裂截面上所有高分子鏈的化學(xué)鍵同時(shí)破壞斷裂截面上所有高分子鏈的化學(xué)鍵同時(shí)破壞化學(xué)鍵鍵能d1.5nm時(shí)化學(xué)鍵破壞根根/N109 . 3m105 . 1/J108 . 5

22、91019dEf根J108 . 5molkJ35019E破壞一根化學(xué)鍵所需的力高分子鏈的截面積單位面積的高分子鏈數(shù)218m105根N根2nm2 . 0A2102189mN102m105N109 . 3根根fNMPa1024破壞單位面積破壞單位面積化學(xué)鍵所需的力化學(xué)鍵所需的力Chain slippage 分子間滑脫q 高分子鏈平行于受力方向排列，使與斷裂截面高分子鏈平行于受力方向排列，使與斷裂截面上所有高分子鏈有關(guān)的分子間作用力（包括范上所有高分子鏈有關(guān)的分子間作用力（包括范德華力和氫鍵）同時(shí)破壞德華力和氫鍵）同時(shí)破壞MPa10215粗略估算粗略估算斷裂面上高分子鏈的數(shù)目與前者相同，由斷裂面上高

23、分子鏈的數(shù)目與前者相同，由于高分子的摩爾內(nèi)聚能比共價(jià)鍵鍵能大于高分子的摩爾內(nèi)聚能比共價(jià)鍵鍵能大510倍，故理論強(qiáng)度約為倍，故理論強(qiáng)度約為12 105MPaDestroy of Van der Waals bond 范德華鍵破壞q 高分子鏈垂直于受力方向排列，使斷裂截面兩高分子鏈垂直于受力方向排列，使斷裂截面兩側(cè)高分子鏈間的分子間作用力（包括范德華力側(cè)高分子鏈間的分子間作用力（包括范德華力和氫鍵）同時(shí)破壞和氫鍵）同時(shí)破壞MPa800400粗略估算粗略估算高分子的高分子的截面積為截面積為0.2nm2，縱剖面積為縱剖面積為100nm 0.5nm=50nm2，斷裂截面上的斷裂截面上的鏈數(shù)是前者的鏈數(shù)是

24、前者的0.2/50，故理論強(qiáng)度約為，故理論強(qiáng)度約為12 105/250=400800MPaTensile Strength of Practical Polymers 實(shí)際高分子的拉伸強(qiáng)度q 聚合物的實(shí)際強(qiáng)度為聚合物的實(shí)際強(qiáng)度為10100MPa，與理論，與理論強(qiáng)度相比有巨大的差距強(qiáng)度相比有巨大的差距q 主要原因主要原因q 由于材料內(nèi)部存在各種缺陷，缺陷造成的應(yīng)力由于材料內(nèi)部存在各種缺陷，缺陷造成的應(yīng)力集中使局部區(qū)域的應(yīng)力遠(yuǎn)高于平均應(yīng)力集中使局部區(qū)域的應(yīng)力遠(yuǎn)高于平均應(yīng)力q 因?yàn)槠茐目偸窍劝l(fā)生在某些薄弱環(huán)節(jié)，不可能因?yàn)槠茐目偸窍劝l(fā)生在某些薄弱環(huán)節(jié)，不可能是那么多的化學(xué)鍵或分子間作用力同時(shí)破壞是那么

25、多的化學(xué)鍵或分子間作用力同時(shí)破壞q 高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)不可能象理論計(jì)算時(shí)高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)不可能象理論計(jì)算時(shí)那么規(guī)整那么規(guī)整 Tensile Properties of PolymersPolymerTensile Strength, MPaElongation at break, %Youngs Modulus, MPaLDPE223960150840950PS35631328003500PMMA49772103200PP344220070012001400PVC-U3563204025004200Nylon-66836032003300PET802002900POM62686075

26、2800PC676010022002400PPO8690308026002800PTFE1425250350400Factor influencing Tensile Strength 影響高分子拉伸強(qiáng)度的因素q內(nèi)因內(nèi)因q鏈結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)q聚集態(tài)結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)q分子間作用力分子間作用力qq外因外因q溫度溫度q應(yīng)變速率應(yīng)變速率q Chain Structure 鏈結(jié)構(gòu)極性極性氫鍵氫鍵剛性剛性分子量分子量交聯(lián)交聯(lián)拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度Crystallization 結(jié)晶q結(jié)晶形態(tài)結(jié)晶形態(tài)伸直鏈晶體伸直鏈晶體串晶串晶球晶球晶q結(jié)晶度結(jié)晶度q球晶尺寸球晶尺寸拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度Orientation 取向q取向方向

27、取向方向拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度q垂直于取向方向垂直于取向方向模量模量拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度模量模量斷鏈或分子間滑脫斷鏈或分子間滑脫范德華鍵破壞范德華鍵破壞Defects 缺陷q材料受力時(shí)在裂縫、孔隙、缺口、材料受力時(shí)在裂縫、孔隙、缺口、雜質(zhì)等缺陷附近的局部范圍造成雜質(zhì)等缺陷附近的局部范圍造成應(yīng)力集中，從而應(yīng)力集中，從而嚴(yán)重降低嚴(yán)重降低材料的材料的拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度Deformation rate 應(yīng)變速率q 鏈段運(yùn)動(dòng)是松弛過(guò)程，外力的鏈段運(yùn)動(dòng)是松弛過(guò)程，外力的作用使松弛時(shí)間下降作用使松弛時(shí)間下降q 若鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間與外力若鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間與外力作用速率相適應(yīng)，材料在斷裂作用速率相適應(yīng)，材料在斷裂前可發(fā)

28、生屈服，出現(xiàn)強(qiáng)迫高彈前可發(fā)生屈服，出現(xiàn)強(qiáng)迫高彈性，表現(xiàn)為韌性斷裂性，表現(xiàn)為韌性斷裂q 若鏈段的松弛跟不上外力作用若鏈段的松弛跟不上外力作用速率，材料在斷裂前不發(fā)生屈速率，材料在斷裂前不發(fā)生屈服，表現(xiàn)為脆性斷裂服，表現(xiàn)為脆性斷裂RTaEexp0應(yīng)力活化能拉伸沖擊實(shí)驗(yàn)拉伸沖擊實(shí)驗(yàn) 用材料高速拉用材料高速拉伸條件下的強(qiáng)度表征材料的韌性伸條件下的強(qiáng)度表征材料的韌性 0.05 inch/min0.05 inch/min0.25 inch/min0.25 inch/min1.25 inch/min1.25 inch/min5 inch/min5 inch/min20 inch/min20 inch/min

29、Stress-strain curve of PSTensile rateTensile rateTemperature 溫度q 降低溫度與提高外力作用速率有同樣的效果降低溫度與提高外力作用速率有同樣的效果q 溫度升高，材料變軟變韌溫度升高，材料變軟變韌q 溫度下降，材料變硬變脆溫度下降，材料變硬變脆拉伸速率 溫度 T Tg50T Tg拉伸速率和溫度對(duì)斷裂點(diǎn)的影響拉伸速率和溫度對(duì)斷裂點(diǎn)的影響不同溫度區(qū)間的應(yīng)力不同溫度區(qū)間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線Brittle-ductile Transformation脆韌轉(zhuǎn)變屈服應(yīng)力T T 屈服應(yīng)力和斷裂應(yīng)力與溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系屈服應(yīng)力和斷裂應(yīng)力與溫度和應(yīng)

30、變速率的關(guān)系斷裂應(yīng)力屈服應(yīng)力 斷裂應(yīng)力q 材料從脆性斷裂向韌性斷裂的轉(zhuǎn)變材料從脆性斷裂向韌性斷裂的轉(zhuǎn)變.Reinforcing of Polymers 高分子的增強(qiáng)q 高分子材料的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)低于金屬高分子材料的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)低于金屬和陶瓷，在作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)需要和陶瓷，在作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)需要增強(qiáng)，最常用的方法是加入增強(qiáng)材料增強(qiáng)，最常用的方法是加入增強(qiáng)材料q 連續(xù)纖維連續(xù)纖維q 短纖維（含晶須）短纖維（含晶須）q 粉體（納米粒子）粉體（納米粒子）q Fiber reinforcing 纖維增強(qiáng)fmffucuVVf1)(*q 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料q 由兩種或兩種以上連續(xù)相物質(zhì)進(jìn)行復(fù)

31、合，其中一相由兩種或兩種以上連續(xù)相物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，其中一相起增強(qiáng)作用，另一相對(duì)增強(qiáng)材料起斂集粘附作用，起增強(qiáng)作用，另一相對(duì)增強(qiáng)材料起斂集粘附作用，所形成的復(fù)合物各組份保持原物質(zhì)的同一性，并使所形成的復(fù)合物各組份保持原物質(zhì)的同一性，并使復(fù)合物的性質(zhì)有重要改進(jìn)復(fù)合物的性質(zhì)有重要改進(jìn)q 復(fù)合材料的極限強(qiáng)度復(fù)合材料的極限強(qiáng)度纖維拉纖維拉伸強(qiáng)度伸強(qiáng)度纖維斷裂應(yīng)變纖維斷裂應(yīng)變時(shí)基體的應(yīng)力時(shí)基體的應(yīng)力纖維體纖維體積分?jǐn)?shù)積分?jǐn)?shù)幾種結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能幾種結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能材料材料 密度密度 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 彈性模量彈性模量 比強(qiáng)度比強(qiáng)度 比模量比模量 MPa MPa MPa MPa 鋼鋼 7.8 1030 21

32、0000 130 27000 鋁合金鋁合金 2.8 470 75000 170 26000 鈦合金鈦合金 4.5 960 114000 210 25000 玻璃纖維玻璃纖維/不飽和聚酯不飽和聚酯 2 1060 40000 530 20000 高強(qiáng)度碳纖維高強(qiáng)度碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂 1.5 1500 140000 1030 97000 高模量碳纖維高模量碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂 1.6 1070 240000 670 150000 芳綸纖維芳綸纖維/環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂 1.4 1400 80000 1000 57000 硼纖維硼纖維/環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂 2.1 1380 210000 660 1

33、00000 硼纖維硼纖維/鋁鋁 2.7 1000 200000 380 57000 Short fiber reinforcing 短纖維增強(qiáng)fmcffucuVLLVf121)(*q 臨界纖維長(zhǎng)度臨界纖維長(zhǎng)度纖維強(qiáng)纖維強(qiáng)度極限度極限纖維斷裂應(yīng)變纖維斷裂應(yīng)變時(shí)基體的應(yīng)力時(shí)基體的應(yīng)力纖維體纖維體積分?jǐn)?shù)積分?jǐn)?shù)msftcDL,2q LLc時(shí)，復(fù)合材料的極限強(qiáng)度時(shí)，復(fù)合材料的極限強(qiáng)度纖維直徑纖維直徑纖維拉纖維拉伸強(qiáng)度伸強(qiáng)度基體剪切強(qiáng)度基體剪切強(qiáng)度纖維纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)度Particulates reinforcing 粒子增強(qiáng)q 橡膠補(bǔ)強(qiáng)橡膠補(bǔ)強(qiáng)q 碳黑或白碳黑起交聯(lián)點(diǎn)的作用碳黑或白碳黑起交聯(lián)點(diǎn)的作用橡橡 膠膠

34、拉伸強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度，MPa未增強(qiáng)未增強(qiáng)增強(qiáng)增強(qiáng)非結(jié)晶性非結(jié)晶性硅橡膠硅橡膠*0.3413.7丁苯橡膠丁苯橡膠1.9619.0丁腈橡膠丁腈橡膠1.9619.6結(jié)晶性結(jié)晶性天然橡膠天然橡膠19.031.4氯丁橡膠氯丁橡膠14.725.0丁基橡膠丁基橡膠17.618.6* * 白碳黑白碳黑Impact Strength 沖擊強(qiáng)度q 沖擊強(qiáng)度是表征材料韌性的一種強(qiáng)度指標(biāo)沖擊強(qiáng)度是表征材料韌性的一種強(qiáng)度指標(biāo)q 常用的沖擊試驗(yàn)方法有常用的沖擊試驗(yàn)方法有q 懸臂梁沖擊試驗(yàn)（含無(wú)缺口和有缺口兩種懸臂梁沖擊試驗(yàn)（含無(wú)缺口和有缺口兩種試樣）試樣）q 簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)（含無(wú)缺口和有缺口兩種簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)（含無(wú)缺口和有

35、缺口兩種試樣）試樣）q 落重式?jīng)_擊試驗(yàn)落重式?jīng)_擊試驗(yàn)q 高速拉伸試驗(yàn)高速拉伸試驗(yàn)q Charpy Impact Strength 簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度q 簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度定義為試簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度定義為試樣受沖擊載荷而折斷時(shí)單樣受沖擊載荷而折斷時(shí)單位截面積所吸收的能量位截面積所吸收的能量 bdwiCharpy testP沖斷試樣所消耗的功db剩余厚度寬度kJ/m2Izod Impact Strength 懸臂梁沖擊強(qiáng)度懸臂梁沖擊強(qiáng)度q 懸臂梁沖擊強(qiáng)度定義為試懸臂梁沖擊強(qiáng)度定義為試樣受沖擊載荷而折斷時(shí)單樣受沖擊載荷而折斷時(shí)單位缺口寬度所吸收的能量位缺口寬度所吸收的能量 bwi bP沖斷試樣所消

36、耗的功寬度J/mIzod testFactor influencing toughness 影響高分子韌性的因素q內(nèi)因內(nèi)因q鏈結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)q聚集態(tài)結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)q分子間作用力分子間作用力qq外因外因q溫度溫度q應(yīng)變速率應(yīng)變速率q Temperature 溫度q 越接近越接近Tg，韌性越大，韌性越大q 溫度升高，材料變軟變韌溫度升高，材料變軟變韌q 溫度下降，材料變硬變脆溫度下降，材料變硬變脆拉伸速率 溫度 T Tg50T Tg拉伸速率和溫度對(duì)斷裂點(diǎn)的影響拉伸速率和溫度對(duì)斷裂點(diǎn)的影響不同溫度區(qū)間的應(yīng)力不同溫度區(qū)間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線高韌性塑料Deformation rate 應(yīng)變速率q 若鏈段

37、運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間若鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間與外力作用速率相適應(yīng)，與外力作用速率相適應(yīng)，材料在斷裂前可發(fā)生屈材料在斷裂前可發(fā)生屈服，表現(xiàn)為韌性斷裂服，表現(xiàn)為韌性斷裂q 若鏈段的松弛跟不上外若鏈段的松弛跟不上外力作用速率，材料在斷力作用速率，材料在斷裂前不發(fā)生屈服，表現(xiàn)裂前不發(fā)生屈服，表現(xiàn)為脆性斷裂為脆性斷裂Stress-strain curve of PS 0.05 inch/min0.05 inch/min0.25 inch/min0.25 inch/min1.25 inch/min1.25 inch/min5 inch/min5 inch/min20 inch/min20 inch/minTensi

38、le rateTensile rate應(yīng)變速率應(yīng)變速率韌性韌性Chain Structure 鏈結(jié)構(gòu)極性極性氫鍵氫鍵剛性剛性交聯(lián)交聯(lián)韌性韌性支化支化Crystallization 結(jié)晶結(jié)晶度結(jié)晶度球晶尺寸球晶尺寸沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度Orientation 取向q垂直于取向方向的沖擊強(qiáng)度垂直于取向方向的沖擊強(qiáng)度提高提高Defects 缺陷q材料受力時(shí)在裂縫、孔隙、缺口、材料受力時(shí)在裂縫、孔隙、缺口、雜質(zhì)等缺陷附近的局部范圍造成雜質(zhì)等缺陷附近的局部范圍造成應(yīng)力集中，從而應(yīng)力集中，從而嚴(yán)重降低嚴(yán)重降低材料的材料的拉伸和沖擊強(qiáng)度拉伸和沖擊強(qiáng)度q大量的同類小缺陷可同時(shí)誘發(fā)大大量的同類小缺陷可同時(shí)誘發(fā)大量空穴

39、或銀紋，吸收沖擊能，反量空穴或銀紋，吸收沖擊能，反而有利于提高沖擊強(qiáng)度而有利于提高沖擊強(qiáng)度Toughening of Polymers 高分子的增韌q常用的方法常用的方法q 彈性體增韌彈性體增韌q 剛性有機(jī)粒子增韌剛性有機(jī)粒子增韌q 超細(xì)無(wú)機(jī)粒子增韌超細(xì)無(wú)機(jī)粒子增韌q Rubber toughening 橡膠增韌 增強(qiáng)橡膠增強(qiáng)橡膠增韌塑料增韌塑料橡膠橡膠塑料塑料q 達(dá)到良好增韌效果的條件達(dá)到良好增韌效果的條件q 橡膠相作為分散相存在橡膠相作為分散相存在q 橡膠相與塑料相有良好的界面粘接力橡膠相與塑料相有良好的界面粘接力q 橡膠相的橡膠相的Tg遠(yuǎn)低于使用溫度遠(yuǎn)低于使用溫度Sample Compo

40、sition (g) Impact strength (kJ/m2) PS 1.0 PS/LLDPE 85/15 1.1 PS/LLDPE/SBS 85/15/9 8.8 PS/LLDPE/SBS/DCP 85/15/9/0.1 7.8 PS/LLDPE/SBS/BR 85/15/9/7 3.4 PS/LLDPE/SBS/BR/DCP 85/15/9/9/0.1 17.8 聚苯乙烯的增韌聚苯乙烯的增韌PS: polystyrene; LLDPE: linear low density polyethylene; BR: butadiene rubber; SBS: styrene-butadi

41、ene-styrene copolymer; DCP: dicumyl peroxideSEM micrograph of the fracture surface of PS/EPDM/SBS blends85/10/1085/20/085/15/1085/20/10Mechanical properties of the PS/EPDM (85/n) binary blends n（wt）Impact Strength（KJ/m2）Tensile Strength（MPa）Elongation at Break（）（）Tensile Modulus（MPa）Bending Strength

42、（MPa）Bending Modulus（MPa）01.2942.05.88.5044.3455.651.3631.07.66.0139.6388.5101.5326.810.94.9434.5307.2152.1421.49.44.7530.1250.1202.5420.517.03.6427.9224.3251.8420.310.63.8725.5199.8Mechanical properties of the PS/EPDM/SBS (85/n/10) ternary blendsEPDM（wt）Impact Strength（KJ/m2）Tensile Strength（MPa）Elongation at Break（）（）Tensile Modulus（MPa）Bending Strength（MPa）Bending Modulus（MPa）02.0337.16.58.6927.5262.953.0731.57.57.7835.9257.3106.2327.66.56.8433.6249.81511.224.86.96.0630.6230.42022.521.210.67.9525.7217.52526.318.438.94.4424.0206.5Mechanism of rubber