第9章 高聚物的力學(xué)性能

1、第九章第九章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)狀態(tài)高聚物的力學(xué)狀態(tài) 高聚物的高彈性高聚物的高彈性 高聚物的粘彈性高聚物的粘彈性 高聚物的應(yīng)力高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為 主主要要內(nèi)內(nèi)容容9.1 高聚物的力學(xué)狀態(tài)高聚物的力學(xué)狀態(tài)柔性高分子熱運動的特點柔性高分子熱運動的特點:分子的一部分可以相對于分子的另一部分作獨分子的一部分可以相對于分子的另一部分作獨立運動。最小獨立運動單元稱立運動。最小獨立運動單元稱-鏈段鏈段。1. 線型非晶態(tài)高聚物的力學(xué)狀態(tài)線型非晶態(tài)高聚物的力學(xué)狀態(tài) 線形非晶態(tài)高聚物試樣在恒定應(yīng)力作用下等速升溫，測定試樣的形變線形非晶態(tài)高聚物試樣在恒定應(yīng)力作用下等速升溫，測定

2、試樣的形變隨溫度的變化，得到形變隨溫度的變化，得到形變-溫度曲線。溫度曲線。l線型非晶態(tài)高聚物線型非晶態(tài)高聚物的三種物理狀態(tài)的三種物理狀態(tài) ：玻璃態(tài)、玻璃態(tài)、 高彈態(tài)、高彈態(tài)、黏流態(tài)黏流態(tài) 線型非晶態(tài)高聚物的三種物理狀態(tài)的對比線型非晶態(tài)高聚物的三種物理狀態(tài)的對比 高分子材料的形高分子材料的形變機理變機理:(a)普彈形變普彈形變(b)高彈形變高彈形變(c)流動形變流動形變u高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變本質(zhì)上是鏈段運動從凍結(jié)至自由高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變本質(zhì)上是鏈段運動從凍結(jié)至自由(或自由至凍或自由至凍結(jié)結(jié))的轉(zhuǎn)變。的轉(zhuǎn)變。u高聚物的高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg 主要與主要與分子鏈的柔性分子鏈的柔性有

3、關(guān)。有關(guān)。l分子鏈柔性愈大，分子鏈柔性愈大，Tg愈低。愈低。u非晶態(tài)高聚物的流動溫度非晶態(tài)高聚物的流動溫度Tf隨相對分子質(zhì)量的增加而提高。隨相對分子質(zhì)量的增加而提高。 高聚物的三種力學(xué)狀態(tài)和兩個轉(zhuǎn)變溫度具有重要的實際意義。高聚物的三種力學(xué)狀態(tài)和兩個轉(zhuǎn)變溫度具有重要的實際意義。常溫下處于常溫下處于玻璃態(tài)玻璃態(tài)的非晶態(tài)高聚物可作為的非晶態(tài)高聚物可作為塑料塑料，其最高使用溫，其最高使用溫度為度為Tg;常溫下處于常溫下處于高彈態(tài)高彈態(tài)的高聚物可作為的高聚物可作為橡膠橡膠，其最低使用溫度為，其最低使用溫度為Tg。粘流態(tài)粘流態(tài)是高聚物是高聚物成型成型中最重要的狀態(tài)。非晶態(tài)高聚物利用粘流中最重要的狀態(tài)。非晶

4、態(tài)高聚物利用粘流態(tài)進行加工成型時，成型溫度一般在態(tài)進行加工成型時，成型溫度一般在Tf-Td( Td為分解溫度為分解溫度)之間。之間。9.2 高聚物的高彈性高聚物的高彈性 v高彈態(tài)是高聚物所特有的，是基于鏈段運動的一種力學(xué)狀態(tài)，可高彈態(tài)是高聚物所特有的，是基于鏈段運動的一種力學(xué)狀態(tài)，可以通過高聚物在一定條件下，通過玻璃化轉(zhuǎn)變而達到。以通過高聚物在一定條件下，通過玻璃化轉(zhuǎn)變而達到。v處于高彈態(tài)的高聚物表現(xiàn)出獨特的力學(xué)性能處于高彈態(tài)的高聚物表現(xiàn)出獨特的力學(xué)性能高彈性。高彈性。1. 彈性形變大彈性形變大 可達可達1000，金屬，金屬1高高彈性的特點彈性的特點 2. 彈性模量小，彈性模量小，E很小很小3

5、.高彈模量隨熱力學(xué)溫度的升高而成正比地增加，而金屬材料的高彈模量隨熱力學(xué)溫度的升高而成正比地增加，而金屬材料的彈性模量隨溫度的升高而下降。彈性模量隨溫度的升高而下降。4. 絕熱拉伸時絕熱拉伸時, 高彈態(tài)高聚物的溫度升高高彈態(tài)高聚物的溫度升高, 而金屬材料的溫度下降。而金屬材料的溫度下降。5.形變需要時間高彈松弛形變需要時間高彈松弛特性：特性： 受到受到外力（應(yīng)力恒定）壓縮或拉伸時，形變總是隨時間而發(fā)展，外力（應(yīng)力恒定）壓縮或拉伸時，形變總是隨時間而發(fā)展，最后達到最大形變，這種現(xiàn)象叫最后達到最大形變，這種現(xiàn)象叫蠕變?nèi)渥儭ｆ湺蔚倪\動需要克服分。鏈段的運動需要克服分子間的內(nèi)摩擦力，達到平衡位置需要一

6、定的時間。子間的內(nèi)摩擦力，達到平衡位置需要一定的時間。v普通彈性應(yīng)變對外力的響應(yīng)是普通彈性應(yīng)變對外力的響應(yīng)是瞬時瞬時完成的。完成的。v高彈性的本質(zhì)是高彈性的本質(zhì)是熵彈性熵彈性，即高彈形變主要引起體系的熵變。，即高彈形變主要引起體系的熵變。而普通彈性的本質(zhì)是而普通彈性的本質(zhì)是能彈性能彈性，即普彈形變主要引起體系的，即普彈形變主要引起體系的內(nèi)能變化。高彈形變時，高分子鏈通過鏈段運動從卷曲的內(nèi)能變化。高彈形變時，高分子鏈通過鏈段運動從卷曲的構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺沟臉?gòu)象，引起熵的減少，是構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺沟臉?gòu)象，引起熵的減少，是自發(fā)現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)象。u溫度升高時，高分子鏈段的熱運動更加劇烈，自發(fā)趨于卷曲構(gòu)溫度升高時，

7、高分子鏈段的熱運動更加劇烈，自發(fā)趨于卷曲構(gòu)象的傾向更大，要克服這種傾向而使之伸展象的傾向更大，要克服這種傾向而使之伸展(即形變即形變)所需要的外所需要的外力就愈大。即力就愈大。即高彈模量隨溫度的升高而增加高彈模量隨溫度的升高而增加。u高彈形變中，鏈段發(fā)生相對遷移時，需要克服一定的內(nèi)摩擦力。高彈形變中，鏈段發(fā)生相對遷移時，需要克服一定的內(nèi)摩擦力。因此高分子鏈從一種構(gòu)象轉(zhuǎn)變到另一種構(gòu)象需要一定的時間，因此高分子鏈從一種構(gòu)象轉(zhuǎn)變到另一種構(gòu)象需要一定的時間，實際高彈形變對應(yīng)力的響應(yīng)往往不可能瞬間完成，這就叫做實實際高彈形變對應(yīng)力的響應(yīng)往往不可能瞬間完成，這就叫做實際際高彈性的松弛特性高彈性的松弛特性。

8、9.3 高聚物的粘彈性高聚物的粘彈性 n高分子材料的力學(xué)行為高分子材料的力學(xué)行為既不符合虎克定律，又不符合牛頓定律，既不符合虎克定律，又不符合牛頓定律，而是而是介于彈性和粘性之間介于彈性和粘性之間，應(yīng)力同時依賴于應(yīng)變和應(yīng)變速率。這，應(yīng)力同時依賴于應(yīng)變和應(yīng)變速率。這種特性稱為種特性稱為粘彈性粘彈性。n如果粘彈性是虎克彈性和牛頓粘性的組合，則稱為如果粘彈性是虎克彈性和牛頓粘性的組合，則稱為線性粘彈性線性粘彈性，否則稱為否則稱為非線性粘彈性非線性粘彈性。高分子材料的幾種典型的線性粘彈性行為。高分子材料的幾種典型的線性粘彈性行為。1. 蠕變?nèi)渥內(nèi)渥兪俏矬w在蠕變是物體在恒定應(yīng)力恒定應(yīng)力作用下其作用下其形

9、變形變隨時間隨時間逐漸逐漸增大增大的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。在階梯應(yīng)力在階梯應(yīng)力(a)的作用下，理想彈性體的作用下，理想彈性體(b)和理和理想粘性體想粘性體(c)的的形變形變()-時間時間(t)的關(guān)系的關(guān)系:u材料的抗蠕變性能反映制品的尺寸穩(wěn)定性。材料的抗蠕變性能反映制品的尺寸穩(wěn)定性。u高聚物的蠕變行為與高聚物的蠕變行為與高分子的鏈結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)高分子的鏈結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與有關(guān)，也與溫度、作用力等外界因素溫度、作用力等外界因素有關(guān)。有關(guān)。l分子鏈的剛性增加、相對分子質(zhì)量增大、交聯(lián)密度增大、溫度分子鏈的剛性增加、相對分子質(zhì)量增大、交聯(lián)密度增大、溫度降低和作用力降低和作用力(外力外力)減小都有利于

10、減少蠕變。減小都有利于減少蠕變。熱固性塑料熱固性塑料的抗蠕變性能一般比的抗蠕變性能一般比熱塑性塑料熱塑性塑料的好的好;橡膠硫化橡膠硫化(交聯(lián)交聯(lián))的目的之一就是要消除因粘性流動引起的蠕變。的目的之一就是要消除因粘性流動引起的蠕變。應(yīng)力松弛是維持物體恒定應(yīng)變所需的應(yīng)力松弛是維持物體恒定應(yīng)變所需的應(yīng)力隨時間衰減應(yīng)力隨時間衰減的現(xiàn)象的現(xiàn)象.2. 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛l初始應(yīng)力，產(chǎn)生初始應(yīng)力，產(chǎn)生普彈形變和部分高彈形變普彈形變和部分高彈形變。l應(yīng)力的繼續(xù)作用，應(yīng)力的繼續(xù)作用，高彈形變和粘性流動形變高彈形變和粘性流動形變將隨時間而增加。將隨時間而增加。l維持形變不變，減小應(yīng)力，彈性形變減小，維持形變不變，減

11、小應(yīng)力，彈性形變減小，而而粘性形變粘性形變逐漸提高至應(yīng)力為零。逐漸提高至應(yīng)力為零。u交聯(lián)高聚物不可能產(chǎn)生粘性流動形變，應(yīng)力不可能松弛到零。交聯(lián)高聚物不可能產(chǎn)生粘性流動形變，應(yīng)力不可能松弛到零。u表征高聚物應(yīng)力松弛特性的物理量是應(yīng)力松弛模量表征高聚物應(yīng)力松弛特性的物理量是應(yīng)力松弛模量:u一切加速蠕變過程的因素同樣加速應(yīng)力松弛過程。一切加速蠕變過程的因素同樣加速應(yīng)力松弛過程。9.4 高聚物的應(yīng)力高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為 1. 高聚物的應(yīng)力高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為 高聚物室溫下的應(yīng)力高聚物室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線: (1)剛而脆，如聚苯乙烯塑料剛而脆，如聚苯乙烯塑料;(2)剛而強，

12、如有機玻璃、硬聚氯乙烯等剛而強，如有機玻璃、硬聚氯乙烯等;(3)軟而韌，如橡膠材料軟而韌，如橡膠材料;(4)剛而韌，如聚碳酸醋和一些部分結(jié)晶高聚物剛而韌，如聚碳酸醋和一些部分結(jié)晶高聚物.2. 高聚物的屈服與冷拉高聚物的屈服與冷拉許多高聚物在一定的條件下能屈服。有些屈服后產(chǎn)生很大的塑性許多高聚物在一定的條件下能屈服。有些屈服后產(chǎn)生很大的塑性形變。本質(zhì)不同于金屬材料的屈服。形變。本質(zhì)不同于金屬材料的屈服。l玻璃態(tài)高聚物在玻璃態(tài)高聚物在Tb-Tg之間和部分結(jié)晶高聚物在之間和部分結(jié)晶高聚物在Tb-Tm之間典之間典型的拉伸應(yīng)力型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及試樣形狀的變化過程。應(yīng)變曲線以及試樣形狀的變化過程。

13、u高聚物的屈服現(xiàn)象是拉伸中出現(xiàn)的高聚物的屈服現(xiàn)象是拉伸中出現(xiàn)的細頸現(xiàn)象細頸現(xiàn)象。它是獨特的力學(xué)行為。它是獨特的力學(xué)行為。u如果對拉伸試樣在拉斷前卸載，或試樣因拉斷而卸載，則拉如果對拉伸試樣在拉斷前卸載，或試樣因拉斷而卸載，則拉伸中產(chǎn)生的大形變除少量可回復(fù)之外，大部分形變都將殘留下伸中產(chǎn)生的大形變除少量可回復(fù)之外，大部分形變都將殘留下來。這樣一個拉伸形變過程稱為來。這樣一個拉伸形變過程稱為冷拉冷拉。u并不是所有的高聚物材料都表現(xiàn)出屈服過程，這是由于溫度并不是所有的高聚物材料都表現(xiàn)出屈服過程，這是由于溫度和時間對高聚物的性能的影響掩蓋了屈服行為的普遍性，有的和時間對高聚物的性能的影響掩蓋了屈服行為

14、的普遍性，有的高聚物出現(xiàn)細頸和冷拉，而有的高聚物脆性易斷。高聚物出現(xiàn)細頸和冷拉，而有的高聚物脆性易斷。 l冷拉冷拉u非晶態(tài)高聚物非晶態(tài)高聚物冷拉后殘留的形變基本上全能回復(fù)。說明非晶態(tài)冷拉后殘留的形變基本上全能回復(fù)。說明非晶態(tài)高聚物冷拉中產(chǎn)生的形變屬高彈形變范疇。這種處于玻璃態(tài)的高高聚物冷拉中產(chǎn)生的形變屬高彈形變范疇。這種處于玻璃態(tài)的高聚物在外力作用下被迫產(chǎn)生的高彈形變稱為聚物在外力作用下被迫產(chǎn)生的高彈形變稱為強迫高彈形變。強迫高彈形變。u部分結(jié)晶高聚物部分結(jié)晶高聚物冷拉后殘留的形變中大部分必須在溫度升高到冷拉后殘留的形變中大部分必須在溫度升高到Tm附近才能回復(fù)。附近才能回復(fù)。3. 高聚物的斷裂

15、高聚物的斷裂n斷裂方式有脆性斷裂和韌性斷裂斷裂方式有脆性斷裂和韌性斷裂 (1)脆性斷裂脆性斷裂 銀紋的形成是玻璃態(tài)高聚物脆性斷裂的先兆。裂紋是通銀紋的形成是玻璃態(tài)高聚物脆性斷裂的先兆。裂紋是通過銀紋擴展的過銀紋擴展的. 聚苯乙烯板中的銀紋 （a）中箭頭指主應(yīng)力方向；（b）其中一段的放大照片(a)(b)l銀紋的出現(xiàn)標志著銀紋的出現(xiàn)標志著材料已受損傷材料已受損傷，對材料強度有不良的影響對材料強度有不良的影響 ；l高分子材料是脆性裂斷還是延性裂高分子材料是脆性裂斷還是延性裂斷，取決于裂尖出現(xiàn)斷，取決于裂尖出現(xiàn)銀紋區(qū)還是塑銀紋區(qū)還是塑性區(qū)性區(qū)這兩種過程的競爭。這兩種過程的競爭。高聚物在斷裂之前都要經(jīng)歷

16、宏觀的大形變過程。引起高分子鏈或晶高聚物在斷裂之前都要經(jīng)歷宏觀的大形變過程。引起高分子鏈或晶片沿應(yīng)力方向的高度取向。當應(yīng)力水平超過取向材料的強度時發(fā)生片沿應(yīng)力方向的高度取向。當應(yīng)力水平超過取向材料的強度時發(fā)生斷裂斷裂-韌性斷裂。韌性斷裂。脆性脆性： -的關(guān)系是線性的關(guān)系是線性(或微曲或微曲) 斷裂應(yīng)變低于斷裂應(yīng)變低于5, 斷裂能不大斷裂能不大, 斷裂面光滑斷裂面光滑韌性韌性： -關(guān)系非線性關(guān)系非線性 斷裂前形變大得多斷裂前形變大得多,斷裂斷裂能很大，能很大， 斷裂面粗糙斷裂面粗糙(2)韌性斷裂韌性斷裂v對高聚物材料，脆性還是韌對高聚物材料，脆性還是韌性極大地取決于實驗條件：性極大地取決于實驗條

17、件：主要看主要看溫度溫度和和測試速率測試速率。v在恒定的應(yīng)變速率下：低溫在恒定的應(yīng)變速率下：低溫脆性形式向高溫韌性形式轉(zhuǎn)脆性形式向高溫韌性形式轉(zhuǎn)變變v在恒定溫度下：應(yīng)變速率上在恒定溫度下：應(yīng)變速率上伸，表現(xiàn)為脆性形式；應(yīng)變伸，表現(xiàn)為脆性形式；應(yīng)變速率下降，表現(xiàn)為韌性形式速率下降，表現(xiàn)為韌性形式4. 高聚物的結(jié)構(gòu)因素對應(yīng)力高聚物的結(jié)構(gòu)因素對應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響應(yīng)變行為的影響 (1)相對分子質(zhì)量相對分子質(zhì)量 主要影響高聚物材料的強度。主要影響高聚物材料的強度。當相對分子質(zhì)量較低時，強度隨其增加而提高。增加到一定程度后，當相對分子質(zhì)量較低時，強度隨其增加而提高。增加到一定程度后，增加趨勢變得較平緩。

18、增加趨勢變得較平緩。(2)結(jié)晶結(jié)晶 影響影響:結(jié)晶度結(jié)晶度 隨著結(jié)晶度的增加，屈服應(yīng)力、強度、模隨著結(jié)晶度的增加，屈服應(yīng)力、強度、模量都提高，而斷裂伸長率和沖擊強度降低。量都提高，而斷裂伸長率和沖擊強度降低。球晶大小球晶大小 球晶小而球晶小而均勻，材料性能好。均勻，材料性能好。(3)取向取向 造成材料性能的各向異性。造成材料性能的各向異性。單軸取向，取向方向上的強度和模量提高單軸取向，取向方向上的強度和模量提高;垂直方向上的強度降低，垂直方向上的強度降低，模量變化不太大模量變化不太大;屈服應(yīng)力在各個方向上相差很大。屈服應(yīng)力在各個方向上相差很大。雙軸取向時，平面內(nèi)各個方向上的強度和模量提高，厚度方向上強雙軸取向時，平面內(nèi)各個方向上的強度和模量提高，厚度方向上強度下降。雙軸取向還能使某些脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性材料。度下降。雙軸取向還能使某些脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性材料。(4)交聯(lián)交聯(lián) 交聯(lián)對玻璃態(tài)高聚物的模量和強度影響不大。對橡膠材料交聯(lián)對玻璃態(tài)高聚物的模量和強度影響不大。對橡膠材料的影響較大。一般隨交聯(lián)密度的增加，橡膠的模量提高，強度在某的影響較大。一般隨交聯(lián)密度的增加，橡膠的模量提高，強度在某一交聯(lián)密度達到極大。一交聯(lián)密度達到極大。 (4)交聯(lián)交聯(lián) 交聯(lián)對玻璃態(tài)高聚物的模量和強度影響不大。對橡膠材料交聯(lián)對玻