高分子物理高分子的力學性能說課材料

1、高分子物理高分子的力學性能引引 言言 隨著高分子材料的大量應用，人們迫切需要隨著高分子材料的大量應用，人們迫切需要了解了解和掌握聚合物的力學性質(zhì)的一般規(guī)律和特點及其與結(jié)和掌握聚合物的力學性質(zhì)的一般規(guī)律和特點及其與結(jié)構(gòu)之間的關系構(gòu)之間的關系，以恰當選擇所需要的高分子材料，正，以恰當選擇所需要的高分子材料，正確地控制加工的條件以獲得所需的力學性能，并合理確地控制加工的條件以獲得所需的力學性能，并合理使用。使用。引引 言言 高分子材料具有所有已知材料中高分子材料具有所有已知材料中可變性范圍最寬可變性范圍最寬的力學性質(zhì)的力學性質(zhì)，包括從液體、軟橡膠態(tài)到剛性固體。然，包括從液體、軟橡膠態(tài)到剛性固體。然而

2、，與金屬材料相比，而，與金屬材料相比，高分子材料對溫度和時間的依高分子材料對溫度和時間的依賴型要強烈得多賴型要強烈得多，表現(xiàn)為高分子材料的粘彈性。高分，表現(xiàn)為高分子材料的粘彈性。高分子材料的這種力學行為顯得復雜而有趣，為不同的應子材料的這種力學行為顯得復雜而有趣，為不同的應用提供了廣闊的選擇余地。用提供了廣闊的選擇余地。 1. 玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 2. 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 3. 聚合物的力學松弛粘彈性聚合物的力學松弛粘彈性 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 一、一、 描述力學性質(zhì)的基本物理量

3、描述力學性質(zhì)的基本物理量 1. 應力與應變應力與應變 （1）應力：）應力：單位面積上的附加內(nèi)力，其值與單位面單位面積上的附加內(nèi)力，其值與單位面積上所受的外力相等。積上所受的外力相等。 （2）應變：）應變：當材料受到外力時，其幾何形狀和尺寸當材料受到外力時，其幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種變化稱為應變。將發(fā)生變化，這種變化稱為應變。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)根據(jù)材料受力的方式，將各向同性材料分為三類：根據(jù)材料受力的方式，將各向同性材料分為三類： a. 拉伸應力和拉伸應變拉伸應力和拉伸應變 b. 剪切應力和剪切應變剪切應力和剪切應變 c. 圍壓力圍壓力和

4、壓縮應變和壓縮應變 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 2. 彈性模量彈性模量 對于理想的彈性固體，應力與應變關系服從虎克定對于理想的彈性固體，應力與應變關系服從虎克定律：律：彈性模量彈性模量= =應力應力/ /應變應變 上述三種類型的彈性模量相應地為：上述三種類型的彈性模量相應地為： （1）楊氏模量：楊氏模量：E=/ （2）剪切模量：剪切模量：G=s/ （3）體積模量：體積模量：B=PV0/V 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 3. 機械強度機械強度 機械強度是材料力學性能的重要指標，它是指材機械強度是材料力學性能的重要指

5、標，它是指材料抵抗外力破壞的能力。料抵抗外力破壞的能力。機械強度的測試是參照國際機械強度的測試是參照國際標準和本國標準進行。標準和本國標準進行。7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 二、二、 幾種常用力學性能的指標幾種常用力學性能的指標 1. 拉伸強度拉伸強度 拉伸強度是在規(guī)定的試驗溫度、濕度和試驗速度拉伸強度是在規(guī)定的試驗溫度、濕度和試驗速度下，在標準試樣上沿軸向施加拉伸載荷，直到試樣被下，在標準試樣上沿軸向施加拉伸載荷，直到試樣被拉斷為止。拉斷為止。7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃

6、態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 彎曲強度是在規(guī)定試驗條件下，對標準試樣施力。彎曲強度是在規(guī)定試驗條件下，對標準試樣施力。靜彎曲力矩直到試樣折斷為止靜彎曲力矩直到試樣折斷為止 。 2. 彎曲強度（撓曲強度）彎曲強度（撓曲強度） 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 沖擊強度是衡量材料沖擊強度是衡量材料韌性韌性的一種強度指標，表征的一種強度指標，表征材料抵抗沖擊載荷破壞的能力。通常定義為試樣受沖材料抵抗沖擊載荷破壞的能力。通常定義為試樣受沖擊載荷而折斷時單位載面積所吸收的能量。擊載荷而折斷時單位載面積所吸收的能量。 3. 沖擊強度沖擊強度 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的

7、力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 硬度是衡量材料表面抵抗機械壓力的能力的一種硬度是衡量材料表面抵抗機械壓力的能力的一種指標。常見的硬度有指標。常見的硬度有布氏、洛氏、和邵氏布氏、洛氏、和邵氏等名稱，通等名稱，通常布氏硬度最為常見。常布氏硬度最為常見。 4. 硬度硬度 三、三、 屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象 1. 應力與應變曲線應力與應變曲線 圖圖79 玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)高聚物的應力玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)高聚物的應力-應變曲線應變曲線7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與

8、結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （1） B點以前是彈性部分，點以前是彈性部分，應力與應變成正比應力與應變成正比，去，去除應力，材料可恢復原樣，不產(chǎn)生永久形變，由直線除應力，材料可恢復原樣，不產(chǎn)生永久形變，由直線的斜率可求出材料的彈性模量。的斜率可求出材料的彈性模量。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （2） B點以后，材料呈現(xiàn)塑性行為，去除應力，材點以后，材料呈現(xiàn)塑性行為，去除應力，材料無法復原，留有永久形變。料無法復原，留有永久形變。B點為屈服點點為屈服點，對應的，對應的應力稱為應力稱為屈服應力或屈服強度屈服應力或屈服強度。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)

9、玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 屈服點之后，屈服點之后，應力有所下降應力有所下降，在較小的負荷下即可產(chǎn)生形，在較小的負荷下即可產(chǎn)生形變，稱為應變軟化。之后應力幾乎不變的情況下應變有很大變，稱為應變軟化。之后應力幾乎不變的情況下應變有很大程度的增加，最后應力又隨應變迅速增加，直到材料斷裂。程度的增加，最后應力又隨應變迅速增加，直到材料斷裂。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 四、四、幾類高聚物的拉伸行為幾類高聚物的拉伸行為 1. 玻璃態(tài)高聚物的拉伸玻璃態(tài)高聚物的拉伸 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （1）當當TTg是，應力

10、與應變成正比，最后應變是，應力與應變成正比，最后應變不到不到10%就發(fā)生斷裂的（就發(fā)生斷裂的（曲線曲線），稱為），稱為脆性斷裂脆性斷裂。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （2）當溫度稍升高些，但仍在當溫度稍升高些，但仍在Tg以下，以下，曲線曲線上出現(xiàn)了一上出現(xiàn)了一個屈服點個屈服點B，過了，過了B點，應力反而下降，試樣應變增大，繼續(xù)拉點，應力反而下降，試樣應變增大，繼續(xù)拉伸，試樣將發(fā)生斷裂，總的應變不超過伸，試樣將發(fā)生斷裂，總的應變不超過20%，稱為，稱為韌性斷裂。韌性斷裂。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （3）當溫度

11、升高到當溫度升高到Tg以下幾十度范圍內(nèi)，如以下幾十度范圍內(nèi)，如曲線曲線，過，過了屈服點后，應力先降后升，應變增大很多，直到了屈服點后，應力先降后升，應變增大很多，直到C點斷裂，點斷裂，C點的應力稱為斷裂應力，對應的應變稱為斷裂伸長率點的應力稱為斷裂應力，對應的應變稱為斷裂伸長率。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （4）當溫度升至當溫度升至Tg以上，試樣進入高彈態(tài)，在應力不大以上，試樣進入高彈態(tài)，在應力不大時，就可發(fā)生高彈形變，如時，就可發(fā)生高彈形變，如曲線曲線，無屈服點，而呈現(xiàn)一段，無屈服點，而呈現(xiàn)一段較長的平臺，直到試樣斷裂前，曲線又出現(xiàn)急劇的上升。較長

12、的平臺，直到試樣斷裂前，曲線又出現(xiàn)急劇的上升。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 2. 結(jié)晶態(tài)高聚物的拉伸結(jié)晶態(tài)高聚物的拉伸 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （1）應力隨應變線性增加，試樣被均勻的拉長，應力隨應變線性增加，試樣被均勻的拉長，伸長率可達百分之幾到十幾。伸長率可達百分之幾到十幾。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （2）到到B點后，被拉伸的試樣出現(xiàn)一個或幾個點后，被拉伸的試樣出現(xiàn)一個或幾個“細頸細頸”，細頸部長不斷擴展，直到整個試樣完全細變?yōu)橹梗谶@個細頸部長不斷擴展，直到

13、整個試樣完全細變?yōu)橹?，在這個階段，應力變化不大，而應變增加幅度很大。階段，應力變化不大，而應變增加幅度很大。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （3）變?yōu)榧氼i的試樣重新被均勻拉伸，直到出現(xiàn)斷裂變?yōu)榧氼i的試樣重新被均勻拉伸，直到出現(xiàn)斷裂 。7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)比較玻璃態(tài)高聚物的拉伸與結(jié)晶態(tài)高聚物的拉伸相同點與區(qū)別比較玻璃態(tài)高聚物的拉伸與結(jié)晶態(tài)高聚物的拉伸相同點與區(qū)別 （1） 相同點：相同點：兩種拉伸過程都經(jīng)歷彈性變形，屈兩種拉伸過程都經(jīng)歷彈性變形，屈服（服（“成頸成頸”），發(fā)展大形變，應變硬化。斷裂前的大），發(fā)展

14、大形變，應變硬化。斷裂前的大形變在室溫時都不能自發(fā)恢復，加熱后才能恢復原狀態(tài)。形變在室溫時都不能自發(fā)恢復，加熱后才能恢復原狀態(tài)。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （2） 不相同點：不相同點： 冷拉溫度范圍不同冷拉溫度范圍不同a. 玻璃態(tài)高聚物拉伸溫度區(qū)間是：玻璃態(tài)高聚物拉伸溫度區(qū)間是：TbTgb. 結(jié)晶態(tài)高聚物拉伸溫度區(qū)間是：結(jié)晶態(tài)高聚物拉伸溫度區(qū)間是：TgTm7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 本質(zhì)差別本質(zhì)差別 a. 玻璃態(tài)高聚物只發(fā)生分子鏈的取向，不發(fā)生相變玻璃態(tài)高聚物只發(fā)生分子鏈的取向，不發(fā)生相變 b. 結(jié)晶態(tài)高聚物

15、發(fā)生結(jié)晶的破壞，取向，再結(jié)晶。結(jié)晶態(tài)高聚物發(fā)生結(jié)晶的破壞，取向，再結(jié)晶。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 五、五、高聚物的強度與破壞高聚物的強度與破壞 1. 脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂 （1） 應力應力- -應變曲線：應變曲線：如果材料只發(fā)生普彈形變，在如果材料只發(fā)生普彈形變，在屈服之前就發(fā)生斷裂，則這種斷裂為脆性斷裂；如果材屈服之前就發(fā)生斷裂，則這種斷裂為脆性斷裂；如果材料發(fā)生屈服或高彈形變后才斷裂，則為料發(fā)生屈服或高彈形變后才斷裂，則為韌性斷裂韌性斷裂。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （2）斷裂能量）斷

16、裂能量 ：以沖擊強度為以沖擊強度為2KJ/M2作為臨界指標。作為臨界指標。一般刻痕試樣的沖擊強度小于這一數(shù)值為脆性斷裂，大一般刻痕試樣的沖擊強度小于這一數(shù)值為脆性斷裂，大于這一數(shù)值時為韌性斷裂。但這一指標并不是絕對的，于這一數(shù)值時為韌性斷裂。但這一指標并不是絕對的，例如玻璃纖維增強的聚酯塑料例如玻璃纖維增強的聚酯塑料，甚至在脆性破壞時也有，甚至在脆性破壞時也有很高的沖擊強度。很高的沖擊強度。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 2. 高聚物的理論強度高聚物的理論強度 從分子結(jié)構(gòu)的角度來看，高聚物的斷裂要破壞分子從分子結(jié)構(gòu)的角度來看，高聚物的斷裂要破壞分子內(nèi)的化

17、學鍵，分子間的范德華力與氫鍵。內(nèi)的化學鍵，分子間的范德華力與氫鍵。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 3. 影響聚合物實際強度的因素影響聚合物實際強度的因素 影響聚合物實際強度的因素是比較多，也比較復影響聚合物實際強度的因素是比較多，也比較復雜，但總的來說可分為兩類：雜，但總的來說可分為兩類： 1. 與材料本身有關：與材料本身有關：聚合物的結(jié)構(gòu)、分子量及其分布、支聚合物的結(jié)構(gòu)、分子量及其分布、支化與交聯(lián)、結(jié)晶與取向、增塑與共混等；化與交聯(lián)、結(jié)晶與取向、增塑與共混等； 2. 與外界條件有關：與

18、外界條件有關：溫度與濕度、氧化與老化、光照等；溫度與濕度、氧化與老化、光照等；7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （1） 高聚物的結(jié)構(gòu)高聚物的結(jié)構(gòu) 極性聚合物比非極性聚合物有更大的分子間作用力，極性聚合物比非極性聚合物有更大的分子間作用力，因此在高分子鏈上引入極性基團將使材料的強度提高。因此在高分子鏈上引入極性基團將使材料的強度提高。 （a）極性和氫鍵極性和氫鍵7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 例如：例如：PE的拉伸強度的拉伸強度15-16MPa，而，而PVC的拉伸強的拉伸強度為度為50MPa。但是，從材料的韌性考慮，如果極

19、性基。但是，從材料的韌性考慮，如果極性基團過密或取代基體積過大，不利于分子運動，雖然能團過密或取代基體積過大，不利于分子運動，雖然能使強度增大，但可能導致材料變脆。使強度增大，但可能導致材料變脆。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 在高分子主鏈或側(cè)基上引入剛性基團，將使材料在高分子主鏈或側(cè)基上引入剛性基團，將使材料的模量升高，因此這類材料通常有較高的拉伸與彎曲的模量升高，因此這類材料通常有較高的拉伸與彎曲強度，但沖擊強度有所下降。強度，但沖擊強度有所下降。 （b）鏈的剛性鏈的剛性 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 隨著支化

20、度的增加，使分子間距增加，分子間作用隨著支化度的增加，使分子間距增加，分子間作用力下降，因此材料的拉伸強度下降，但沖擊強度增加。力下降，因此材料的拉伸強度下降，但沖擊強度增加。 （3）支化支化 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 適度的交聯(lián)可有效增加分子鏈間的聯(lián)系，使分子適度的交聯(lián)可有效增加分子鏈間的聯(lián)系，使分子不易發(fā)生相對滑移。隨著交聯(lián)度的增加，往往不易發(fā)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，強度增大。例如：生大的形變，強度增大。例如：PE交聯(lián)后，拉伸強度交聯(lián)后，拉伸強度可提高一倍，沖擊強度可提高可提高一倍，沖擊強度可提高3-4倍。倍。

21、（4）交聯(lián)交聯(lián) 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 分子量低時，拉伸強度和沖擊強度都低，隨著分分子量低時，拉伸強度和沖擊強度都低，隨著分子量的增加，二者都會提高。但當分子量超過一定的子量的增加，二者都會提高。但當分子量超過一定的數(shù)值后，拉伸強度的變化就不大了，而沖擊強度則繼數(shù)值后，拉伸強度的變化就不大了，而沖擊強度則繼續(xù)增大。續(xù)增大。 （5）分子量分子量 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 隨著結(jié)晶度的增加，拉伸強度也會增加，但如果隨著結(jié)晶度的增加，拉伸強度也會增加，但如果結(jié)晶度過大，就會使沖擊強度下降，導致材料變脆。結(jié)晶度過

22、大，就會使沖擊強度下降，導致材料變脆。 （5）結(jié)晶與取向結(jié)晶與取向 取向可使材料的強度大幅度提高，在取向可使材料的強度大幅度提高，在合成纖維、合成纖維、薄膜、板材薄膜、板材的生產(chǎn)中，常利用取向來提高強度。的生產(chǎn)中，常利用取向來提高強度。7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （2） 材料缺陷材料缺陷 一般認為高分子材料的實際強度與理論強度的巨一般認為高分子材料的實際強度與理論強度的巨大差距主要起因于大差距主要起因于材料內(nèi)部的應力分布不均勻材料內(nèi)部的應力分布不均勻，在材，在材料的缺陷部分的應力要遠遠超過應力的平均值，造成料的缺陷部分的應力要遠遠超過應力的平均值，造成

23、應力集中現(xiàn)象應力集中現(xiàn)象。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 缺陷就是應力集中物，如缺陷就是應力集中物，如裂縫，空隙，銀紋，缺裂縫，空隙，銀紋，缺口，雜質(zhì)口，雜質(zhì)等。材料的破壞就是從這些弱點開始。各種等。材料的破壞就是從這些弱點開始。各種材料缺陷存在在聚合物成型加工中是相當普通。材料缺陷存在在聚合物成型加工中是相當普通。7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （3） 添加劑添加劑 增塑劑的加入對聚合物起了稀釋作用，使分子間增塑劑的加入對聚合物起了稀釋作用，使分子間相互作用力減弱，因而會使材料的相互作用力減弱，因而會使材料的拉伸強

24、度下降，沖拉伸強度下降，沖擊強度提高。擊強度提高。 （a） 增塑劑增塑劑 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 固體填料和聚合物是不相容的，因此在聚合物中固體填料和聚合物是不相容的，因此在聚合物中加入填料將形成多相復合材料。加入填料的目的是：加入填料將形成多相復合材料。加入填料的目的是： （2）填料（粉狀、纖維狀）填料（粉狀、纖維狀） 通過加入廉價填料以降低成本，這類填料一般只起通過加入廉價填料以降低成本，這類填料一般只起稀釋作用，稱為惰性填料，它將使材料的強度降低。稀釋作用，稱為惰性填料，它將使材料的強度降低。 7.1 玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì)玻璃態(tài)與結(jié)

25、晶態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 提高材料的強度，這類填料稱為活性填料，這時不把提高材料的強度，這類填料稱為活性填料，這時不把降低成本作為追求目標。復合材料的強度同填料本身的降低成本作為追求目標。復合材料的強度同填料本身的強度有關，也與填料與聚合物的親和程度有關。強度有關，也與填料與聚合物的親和程度有關。 7.2 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 一、一、橡膠的使用溫度范圍橡膠的使用溫度范圍 高彈態(tài)是高聚物特有的一種力學狀態(tài)，由于橡膠的高彈態(tài)是高聚物特有的一種力學狀態(tài)，由于橡膠的應用日益廣泛，對其性能提出了越來越多的要求，其中應用日益廣泛，對其性能提出了越來越多的要求，其中擴大使用溫度范圍就是

26、一個重要方面。擴大使用溫度范圍就是一個重要方面。7.2 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 1. 改善其高溫耐老化性能，提高耐熱性；改善其高溫耐老化性能，提高耐熱性； 2. 另一方面則需設法降低其另一方面則需設法降低其Tg，改善其耐寒性，改善其耐寒性。 7.2 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 1. 改善高溫耐老化性能，提高耐熱性改善高溫耐老化性能，提高耐熱性 橡膠經(jīng)過硫化后，具有交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其耐熱性按橡膠經(jīng)過硫化后，具有交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其耐熱性按說應是很好的，但實際上，無論天然橡膠還是合成橡膠，說應是很好的，但實際上，無論天然橡膠還是合成橡膠，在高溫下很快會發(fā)生在高溫下

27、很快會發(fā)生臭氧龜裂、氧化裂解、交聯(lián)以及其臭氧龜裂、氧化裂解、交聯(lián)以及其他因素的破壞他因素的破壞，很少能在，很少能在120以上長期使用以上長期使用。 7.2 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 例如：硫化天然橡膠在例如：硫化天然橡膠在102經(jīng)經(jīng)8小時小時后，扯斷強度后，扯斷強度損失損失25%，丁腈橡膠在，丁腈橡膠在121以上浸入燃料油中，很快以上浸入燃料油中，很快就會出現(xiàn)表面龜裂。因此為了提高橡膠的耐熱性，必須就會出現(xiàn)表面龜裂。因此為了提高橡膠的耐熱性，必須從改變橡膠的從改變橡膠的化學結(jié)構(gòu)化學結(jié)構(gòu)和選擇合適的和選擇合適的配方配方來解決來解決。 7.2 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物

28、的力學性質(zhì) 2. 降低降低Tg，避免結(jié)晶，改善耐寒性，避免結(jié)晶，改善耐寒性 Tg是橡膠類高聚物使用的最低溫度，耐寒性差的原是橡膠類高聚物使用的最低溫度，耐寒性差的原因是由于因是由于在低溫下橡膠會發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變或發(fā)生結(jié)晶，在低溫下橡膠會發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變或發(fā)生結(jié)晶，從而導致橡膠變硬變脆而喪失彈性。從而導致橡膠變硬變脆而喪失彈性。 7.2 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （1）增塑法增塑法 加入增塑劑可降低聚合物的加入增塑劑可降低聚合物的Tg和提高耐寒性，如：氯和提高耐寒性，如：氯丁膠丁膠Tg=-45，用癸二酸二丁酯（，用癸二酸二丁酯（Tg=-80）增塑，使）增塑，使Tg降至降至-62，

29、因此，因此增塑效應不僅取決于增塑劑的化學結(jié)構(gòu)增塑效應不僅取決于增塑劑的化學結(jié)構(gòu)和濃度，而且還與增塑劑本身的和濃度，而且還與增塑劑本身的Tg有關有關，增塑劑的，增塑劑的Tg愈低，愈低，則增塑后的聚合物的則增塑后的聚合物的Tg也愈低。也愈低。 7.2 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 加入增塑劑雖然可以降低加入增塑劑雖然可以降低Tg，但它也使分子鏈的活，但它也使分子鏈的活動性增加，這動性增加，這為形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了有利條件為形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了有利條件，因此選，因此選用增塑法來降低用增塑法來降低Tg必須考慮結(jié)晶速度增大和結(jié)晶形成的必須考慮結(jié)晶速度增大和結(jié)晶形成的可能性?？赡苄?。 7.2

30、高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) （2）共聚法共聚法 共聚法也能降低聚合物的共聚法也能降低聚合物的Tg，如：，如：PS的主鏈上帶有體的主鏈上帶有體積龐大的苯基，聚丙烯腈有強極性腈基存在，積龐大的苯基，聚丙烯腈有強極性腈基存在，Tg都在室溫都在室溫以上，只能作為塑料和纖維使用，如果用丁二烯分別與苯以上，只能作為塑料和纖維使用，如果用丁二烯分別與苯乙烯和丙烯腈共聚可得丁苯橡膠和丁腈橡膠，使乙烯和丙烯腈共聚可得丁苯橡膠和丁腈橡膠，使Tg下降。下降。例如：丁苯例如：丁苯30，Tg=-53，丁腈，丁腈26，Tg=-42。 7.2 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 二、二、橡膠的主

31、要特點橡膠的主要特點 橡膠的彈性形變?yōu)橄鹉z的彈性形變?yōu)楦邚椥巫兏邚椥巫?，其形變量很大，可達，其形變量很大，可達1001000%，彈性模量小，一般為，彈性模量小，一般為105107Pa；而普彈形；而普彈形變（如塑料），其形變量較小，為變（如塑料），其形變量較小，為0.010.1%，但彈性模，但彈性模量大，可達量大，可達10101011Pa 。 1. 彈性模量很小，而形變量很大彈性模量很小，而形變量很大 7.2 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 橡膠受到外力壓縮成拉伸時，形變總是隨時間而橡膠受到外力壓縮成拉伸時，形變總是隨時間而發(fā)展，最后達到最大形變發(fā)展，最后達到最大形變 這種現(xiàn)象成為

32、這種現(xiàn)象成為蠕變?nèi)渥儭?2. 形變需要時間形變需要時間 7.2 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 拉緊的橡皮帶會逐漸變松，這種應力隨時間而下拉緊的橡皮帶會逐漸變松，這種應力隨時間而下降或消失的現(xiàn)象稱為降或消失的現(xiàn)象稱為應力松弛應力松弛。蠕變和應力松弛統(tǒng)稱。蠕變和應力松弛統(tǒng)稱為為力學松弛力學松弛。7.2 高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì)高彈態(tài)聚合物的力學性質(zhì) 橡膠在拉長或回縮時會放熱或吸熱，這種現(xiàn)象稱橡膠在拉長或回縮時會放熱或吸熱，這種現(xiàn)象稱為為熱彈效應熱彈效應。 3. 形變時有熱效應形變時有熱效應 7.3 聚合物的力學松弛聚合物的力學松弛 材料在外力作用下要產(chǎn)生相應的響應材料在外力作用下要產(chǎn)

33、生相應的響應應變。理應變。理想的想的彈性體彈性體服從虎克定律：服從虎克定律：F=kx，在外力作用下，平，在外力作用下，平衡形變瞬間完成，與時間無關；而理想的衡形變瞬間完成，與時間無關；而理想的粘性體粘性體，在，在外力作用下，形變隨時間變化。外力作用下，形變隨時間變化。 7.3 聚合物的力學松弛聚合物的力學松弛 高分子材料的形變性質(zhì)也與時間有關，它介于高分子材料的形變性質(zhì)也與時間有關，它介于理想彈性體理想彈性體和理想粘性體和理想粘性體之間，因此，高分子材料常被稱為粘彈性材料。之間，因此，高分子材料常被稱為粘彈性材料。 7.3 聚合物的力學松弛聚合物的力學松弛 高分子材料的力學性質(zhì)隨時間的變化稱為

34、力學松高分子材料的力學性質(zhì)隨時間的變化稱為力學松弛。常觀察的力學松弛現(xiàn)象有弛。常觀察的力學松弛現(xiàn)象有蠕變，應力松弛，滯后蠕變，應力松弛，滯后和力學損耗和力學損耗等。等。 7.3 聚合物的力學松弛聚合物的力學松弛 蠕變是指在一定溫度和較小的恒定外力（拉力，壓力或扭蠕變是指在一定溫度和較小的恒定外力（拉力，壓力或扭力等）作用下，材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。力等）作用下，材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。 1. 蠕變?nèi)渥?7.3 聚合物的力學松弛聚合物的力學松弛 蠕變與溫度高低和外力大小有關蠕變與溫度高低和外力大小有關:7.3 聚合物的力學松弛聚合物的力學松弛 （1）當溫度低，外力較小，蠕變也很小而且很慢，當溫度低，外力較小，蠕變也很小而且很慢，在短時間不易覺察。在短時間不易覺察。 （2）當溫度過高，外力過大，形變發(fā)展過快，也感當溫度過高，外力過大，形變發(fā)展過快，也感覺