高分子物理第八章

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容n前言前言n8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服n8.2 聚合物的斷裂和強(qiáng)度聚合物的斷裂和強(qiáng)度3重點(diǎn)要求：重點(diǎn)要求：會(huì)從聚合物應(yīng)力會(huì)從聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線獲取信息；掌握屈服和斷裂現(xiàn)象應(yīng)變曲線獲取信息；掌握屈服和斷裂現(xiàn)象及其機(jī)理；韌性和強(qiáng)度的影響因素及增韌、增強(qiáng)方法和機(jī)理。及其機(jī)理；韌性和強(qiáng)度的影響因素及增韌、增強(qiáng)方法和機(jī)理。學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的：能從分子結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和屈服、斷裂特征上對(duì)材料的韌能從分子結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和屈服、斷裂特征上對(duì)材料的韌性和強(qiáng)度進(jìn)行初步判斷，學(xué)會(huì)聚合物的增韌、增強(qiáng)方法，以性和強(qiáng)度進(jìn)行初步判斷，學(xué)會(huì)聚合物的增韌、增強(qiáng)方法，以滿足其使用要求。滿足其使

2、用要求。教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：聚合物的應(yīng)力聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線聚合物的屈服聚合物的屈服聚合物的斷裂與強(qiáng)度聚合物的斷裂與強(qiáng)度4研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力的持續(xù)作用或強(qiáng)研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力的持續(xù)作用或強(qiáng)大外力的短時(shí)作用后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞大外力的短時(shí)作用后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂。或斷裂。強(qiáng)度強(qiáng)度: 抵抗上述破壞或斷裂的能力抵抗上述破壞或斷裂的能力形變小形變?。嚎捎媚Ａ縼?lái)表示形變特性；：可用模量來(lái)表示形變特性；極限范圍內(nèi)的大形變極限范圍內(nèi)的大形變：要用：要用應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)反映這一過(guò)程來(lái)反映這一過(guò)程引引 言言揚(yáng)氏模量揚(yáng)氏模量屈服應(yīng)力屈服

3、應(yīng)力屈服伸長(zhǎng)屈服伸長(zhǎng)斷裂強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）斷裂強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）斷裂伸長(zhǎng)斷裂伸長(zhǎng)北京理工大學(xué)幾種常用的力學(xué)性能指標(biāo)（1）拉伸強(qiáng)度）拉伸強(qiáng)度：試樣的起始橫截面積載荷斷裂前試樣承受的最大00A:mmtPAP Mpa 1 Mpa = 9.8 kg/cm2 10 kg/cm2北京理工大學(xué)拉伸模量（即楊氏模量）拉伸模量（即楊氏模量）：拉伸初始階段的應(yīng)力與：拉伸初始階段的應(yīng)力與應(yīng)變比例應(yīng)變比例ddE 北京理工大學(xué)（2）彎曲強(qiáng)度）彎曲強(qiáng)度 /稱繞曲強(qiáng)度稱繞曲強(qiáng)度是在規(guī)定實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣是在規(guī)定實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品施加靜彎曲力矩，直到試樣斷品施加靜彎曲力矩，直到試樣斷裂為止，取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大載裂為止，取實(shí)

4、驗(yàn)過(guò)程中的最大載荷，并按下式計(jì)算彎曲強(qiáng)度（三荷，并按下式計(jì)算彎曲強(qiáng)度（三點(diǎn)彎曲）點(diǎn)彎曲）北京理工大學(xué)（3）沖擊強(qiáng)度）沖擊強(qiáng)度 表征材料韌性，表示抵抗沖擊載荷破壞表征材料韌性，表示抵抗沖擊載荷破壞的能力。的能力。試樣受沖擊載荷而折斷時(shí)單位面積試樣受沖擊載荷而折斷時(shí)單位面積所吸收的能量。所吸收的能量。AEi擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)：簡(jiǎn)支梁；懸臂梁。單位 ：KJ/m2;J/m北京理工大學(xué)衡量材料表面抵抗機(jī)械壓力的能力。衡量材料表面抵抗機(jī)械壓力的能力。 與材料的抗張強(qiáng)度和彈性模量有關(guān)。與材料的抗張強(qiáng)度和彈性模量有關(guān)。 硬度實(shí)驗(yàn)方法很多，加荷方式有動(dòng)載法和靜載法兩類。硬度實(shí)驗(yàn)方法很多，加荷方式有動(dòng)載法和靜載法兩類

5、。 有有布氏、洛氏和邵氏布氏、洛氏和邵氏等名稱。等名稱。實(shí)驗(yàn)是以平穩(wěn)的載荷將直徑D一定的硬剛球壓入試樣表面，保持一定時(shí)間使材料充分變形，并測(cè)量壓入深度h，計(jì)算試樣表面凹痕的表面積，以單位面積上承受的載荷公斤/毫米2）為材料的布氏硬度布氏硬度（4）硬度）硬度常見塑料的拉伸和彎曲強(qiáng)度常見塑料的拉伸和彎曲強(qiáng)度塑料名稱塑料名稱拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度（MPa）伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率%拉伸模量拉伸模量（GPa）彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度（MPa）彎曲模量彎曲模量（GPa）低壓聚乙烯低壓聚乙烯2239601500.840.9525401.11.4聚苯乙烯聚苯乙烯35.263.312252.83.561.298.4ABS塑料塑料16.

6、963.3101400.72.925.394.93.0有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃49.277.32103.291.4119聚丙烯聚丙烯33.742.22007001.21.442.256.21.21.6聚氯乙烯聚氯乙烯35.263.320402.54.270.3112尼龍尼龍6683603.23.31001102.93.0尼龍尼龍674781502.61002.42.6尼龍尼龍101052551002501.6891.3聚甲醛聚甲醛626860752.891922.6聚碳酸酯聚碳酸酯67601002.22.4981062.03.0聚砜聚砜7285201002.52.91081272.8聚酰亞胺聚酰亞胺9

7、4.5681003.2聚苯醚聚苯醚86.589.530802.62.8981372.02.1氯化聚醚氯化聚醚42.3601601.170770.9線性聚酯線性聚酯802002.9117聚四氟乙烯聚四氟乙411148.1.1 聚合物的應(yīng)力聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服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)塑料塑料/橡膠橡膠纖維纖維塑料塑料/橡膠橡膠拉伸試驗(yàn)用的試樣拉伸試驗(yàn)用的試樣塑料試樣塑料試樣橡膠試樣橡膠試樣000lllll

8、0AF高聚物的力學(xué)性能與溫度和力的作用高聚物的力學(xué)性能與溫度和力的作用速率有關(guān)，因此在試驗(yàn)和應(yīng)用中注意：速率有關(guān)，因此在試驗(yàn)和應(yīng)用中注意：必須標(biāo)明必須標(biāo)明溫度和應(yīng)變速率溫度和應(yīng)變速率。14Y point: 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)A 彈性極限點(diǎn)彈性極限點(diǎn)B point: 斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn) Y 屈服應(yīng)力，屈服應(yīng)力， Y 屈服應(yīng)變屈服應(yīng)變 B 斷裂伸長(zhǎng)率斷裂伸長(zhǎng)率 B斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度Y點(diǎn)以前（點(diǎn)以前（彈性區(qū)域彈性區(qū)域）：除去應(yīng)力，材料能恢復(fù)原樣，不留任何永久變形）：除去應(yīng)力，材料能恢復(fù)原樣，不留任何永久變形Y點(diǎn)以后（點(diǎn)以后（塑性區(qū)域塑性區(qū)域）：除去外力后，材料不再恢復(fù)原樣，留有永久變形，）：除去外力后，材料不再恢

9、復(fù)原樣，留有永久變形，稱材料稱材料“屈服屈服”了了1、非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力、非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（應(yīng)變曲線（Tg以下）以下）頸縮階段頸縮階段15斷裂能斷裂能 Fracture energyStress-strain曲線下面積稱作曲線下面積稱作斷裂能斷裂能：材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。反映材料反映材料拉伸斷裂韌性拉伸斷裂韌性大小大小試樣在拉伸過(guò)程的變化過(guò)程試樣在拉伸過(guò)程的變化過(guò)程彈性形變彈性形變-屈服屈服-應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化-冷拉冷拉-應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化-斷裂斷裂頸縮階段：頸縮階段：“細(xì)頸細(xì)頸”擴(kuò)張，應(yīng)力變化很小，應(yīng)變大幅度增加擴(kuò)張，應(yīng)力變化很小，應(yīng)變大

10、幅度增加高模量、小變形高模量、小變形鍵長(zhǎng)、鍵角運(yùn)動(dòng)鍵長(zhǎng)、鍵角運(yùn)動(dòng)受迫高彈形變受迫高彈形變鏈段運(yùn)動(dòng)鏈段運(yùn)動(dòng)粘流粘流分子鏈運(yùn)動(dòng)分子鏈運(yùn)動(dòng)玻璃態(tài)，不可恢復(fù)，需玻璃態(tài)，不可恢復(fù)，需Tg以上退火處理恢復(fù)。以上退火處理恢復(fù)?？苫謴?fù)可恢復(fù)北京理工大學(xué)受迫高彈形變受迫高彈形變1）定義：）定義：玻璃態(tài)高聚物在大外力的作用下發(fā)生的大形變；玻璃態(tài)高聚物在大外力的作用下發(fā)生的大形變；2）條件：）條件：在在Tg以下以下10（或更低）左右（或更低）左右3）機(jī)理：）機(jī)理：在大外力的幫助下，玻璃態(tài)高聚物本來(lái)被凍結(jié)的在大外力的幫助下，玻璃態(tài)高聚物本來(lái)被凍結(jié)的鏈段開始運(yùn)動(dòng)，即在外力的幫助下，高分子鏈的伸展提供鏈段開始運(yùn)動(dòng)，即在外

11、力的幫助下，高分子鏈的伸展提供了大變形，這時(shí)由于在了大變形，這時(shí)由于在Tg以下，即使外力除去也不能自發(fā)回以下，即使外力除去也不能自發(fā)回復(fù)。復(fù)。高彈形變與受（強(qiáng)）迫高彈形變的比較高彈形變與受（強(qiáng)）迫高彈形變的比較相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：大形變，同屬于鏈段運(yùn)動(dòng)機(jī)理；大形變，同屬于鏈段運(yùn)動(dòng)機(jī)理；不同點(diǎn)：不同點(diǎn)：受迫高彈形變?cè)谌コ饬蟛荒芑謴?fù)，只有溫度受迫高彈形變?cè)谌コ饬蟛荒芑謴?fù)，只有溫度升高到升高到Tg以上以上 時(shí)，才能恢復(fù)，需要外力較大。時(shí)，才能恢復(fù)，需要外力較大。 高彈形變：去除外力即可恢復(fù)，需要外力較小。高彈形變：去除外力即可恢復(fù)，需要外力較小。1) 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)Y點(diǎn)點(diǎn) 應(yīng)力達(dá)到一個(gè)極大值，屈服

12、應(yīng)力應(yīng)力達(dá)到一個(gè)極大值，屈服應(yīng)力2) 斷裂方式（斷裂方式（脆性斷裂：屈服點(diǎn)之前發(fā)生的斷裂（脆性斷裂：屈服點(diǎn)之前發(fā)生的斷裂（韌性斷裂：在材料屈服之后的斷裂（韌性斷裂：在材料屈服之后的斷裂（3) 應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化應(yīng)變軟化：應(yīng)變軟化：在拉伸過(guò)程中，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而下降在拉伸過(guò)程中，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而下降應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化：在拉伸過(guò)程中，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而上升：在拉伸過(guò)程中，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而上升4) 拉伸應(yīng)力曲線反映的材料的力學(xué)性質(zhì)拉伸應(yīng)力曲線反映的材料的力學(xué)性質(zhì) 聚合物的屈服強(qiáng)度聚合物的屈服強(qiáng)度（Y點(diǎn)強(qiáng)度點(diǎn)強(qiáng)度）彈性彈性 聚合物的楊氏模量聚合物的楊氏模量（OA段斜率段斜率）剛性

13、剛性 聚合物的斷裂強(qiáng)度聚合物的斷裂強(qiáng)度（B點(diǎn)強(qiáng)度點(diǎn)強(qiáng)度）強(qiáng)度強(qiáng)度 聚合物的斷裂伸長(zhǎng)率聚合物的斷裂伸長(zhǎng)率（B點(diǎn)伸長(zhǎng)率點(diǎn)伸長(zhǎng)率）延性延性 聚合物的斷裂韌性聚合物的斷裂韌性（曲線下面積曲線下面積）韌性韌性 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)變曲線(a) 溫度溫度a: TTg c: TTg (幾十度)d: T接近Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆性斷裂 韌性斷裂無(wú)屈服屈服后斷裂Results TT溫度升高，材料溫度升高，材料軟而韌，屈服應(yīng)軟而韌，屈服應(yīng)力和斷裂強(qiáng)度下力和斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率降，斷裂伸長(zhǎng)率增加增加(b) 拉伸速率拉伸

14、速率1234Strain rate拉伸速率拉伸速率Example: PMMA拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服應(yīng)力、斷裂拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服應(yīng)力、斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率減小強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率減小a: 脆性材料脆性材料 c: 韌性材料韌性材料d: 橡膠橡膠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(c) 不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)(d) Crystallization 結(jié)晶結(jié)晶與非晶態(tài)聚合與非晶態(tài)聚合物的拉伸機(jī)理物的拉伸機(jī)理相同嗎？相同嗎？晶態(tài)聚合物晶態(tài)聚合物24應(yīng)變軟化更明顯應(yīng)變軟化更明

15、顯, 冷拉時(shí)冷拉時(shí),包括晶區(qū)和非晶區(qū)兩部分形變。包括晶區(qū)和非晶區(qū)兩部分形變。2、 晶態(tài)聚合物的應(yīng)力晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線Tm以下拉伸以下拉伸Tg以下拉伸以下拉伸細(xì)頸 necking（冷拉-cold drawing）分子在拉伸方向取向，微晶也進(jìn)行重排，甚至某些晶體可能破裂成較小單位，然后在取向下再結(jié)晶。玻璃態(tài)聚合物與結(jié)晶聚合物的拉伸比較玻璃態(tài)聚合物與結(jié)晶聚合物的拉伸比較相似之處：相似之處：兩種拉伸過(guò)程均經(jīng)歷兩種拉伸過(guò)程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應(yīng)變硬化形變以及應(yīng)變硬化等階段，其中大形變?cè)谑覝貢r(shí)都不能自發(fā)等階段，其中大形變?cè)谑覝貢r(shí)都不能自發(fā)回復(fù)，而加熱后

16、則產(chǎn)生回復(fù)，故本質(zhì)上兩種拉伸過(guò)程造成的回復(fù)，而加熱后則產(chǎn)生回復(fù)，故本質(zhì)上兩種拉伸過(guò)程造成的大形變都是高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為大形變都是高彈形變。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)聚合物的冷拉溫度區(qū)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)間是間是TbTg，而結(jié)晶聚合物則為，而結(jié)晶聚合物則為TgTm；（2）玻璃態(tài)聚合物在冷拉過(guò)程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比晶態(tài)聚）玻璃態(tài)聚合物在冷拉過(guò)程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比晶態(tài)聚合物簡(jiǎn)單得多，它只合物簡(jiǎn)單得多，它只發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變，而，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)

17、晶等過(guò)程結(jié)晶的破壞、取向和再結(jié)晶等過(guò)程。26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)變曲線(a) 溫度、應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力溫度、應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響應(yīng)變曲線的影響影響與影響與非晶態(tài)非晶態(tài)聚合物聚合物相似相似溫度升高，屈服應(yīng)力下降，斷裂伸長(zhǎng)率增加溫度升高，屈服應(yīng)力下降，斷裂伸長(zhǎng)率增加拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服應(yīng)力、斷裂強(qiáng)拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服應(yīng)力、斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率減小度增加，斷裂伸長(zhǎng)率減小全同立構(gòu)聚苯乙烯應(yīng)力全同立構(gòu)聚苯乙烯應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變曲線與溫度關(guān)系曲線與溫度關(guān)系高密度聚乙烯的應(yīng)力高密度聚乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變行為：應(yīng)變行為：1-高速負(fù)荷，高速負(fù)荷，2-低速負(fù)

18、荷低速負(fù)荷27(b) 球晶大小球晶大小 The Size of Spherulites球晶大，一般斷裂伸長(zhǎng)率和韌性降低球晶大，一般斷裂伸長(zhǎng)率和韌性降低28(c) 結(jié)晶度結(jié)晶度The Degree of Crystallization結(jié)晶度增加，屈服應(yīng)力、強(qiáng)度、模量、硬結(jié)晶度增加，屈服應(yīng)力、強(qiáng)度、模量、硬度等提高；斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊性能等下降度等提高；斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊性能等下降Different types of stress-strain curve“軟軟”和和“硬硬”用于區(qū)分模量的低或高，用于區(qū)分模量的低或高，“弱弱”和和“強(qiáng)強(qiáng)”是指強(qiáng)度的大小，是指強(qiáng)度的大小，“脆脆”是指無(wú)屈服現(xiàn)象而且斷裂伸

19、長(zhǎng)很是指無(wú)屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長(zhǎng)很小，小，“韌韌”是指其斷裂伸長(zhǎng)和斷裂應(yīng)力都較高的情況。是指其斷裂伸長(zhǎng)和斷裂應(yīng)力都較高的情況。 軟而弱軟而弱硬而脆硬而脆硬而強(qiáng)硬而強(qiáng)軟而韌軟而韌硬而韌硬而韌軟而韌軟而韌30聚合物力學(xué)類型聚合物力學(xué)類型軟而弱軟而弱軟而韌軟而韌硬而脆硬而脆硬而強(qiáng)硬而強(qiáng)強(qiáng)而韌強(qiáng)而韌聚合物應(yīng)力聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)應(yīng)變變曲曲線線特特點(diǎn)點(diǎn)模模 量量（剛性）（剛性）低低低低高高高高高高屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力（強(qiáng)度）（強(qiáng)度）低低低低高高高高高高斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度（強(qiáng)度）（強(qiáng)度）低低中中高高高高斷裂伸長(zhǎng)斷裂伸長(zhǎng)（延性）（延性）中中低低 2%中中 5% 高高應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線下面積（韌

20、）下面積（韌）小小中中小小中中大大實(shí)實(shí)例例聚合物凝膠聚合物凝膠橡膠橡膠;增塑增塑PVCPS;PMMA;固固化酚醛樹脂化酚醛樹脂斷裂前無(wú)塑性斷裂前無(wú)塑性形變形變硬硬PVCABS;PC; POMnylon-66有明顯的有明顯的屈服和塑性屈服和塑性形變形變.韌性好韌性好318.1.2 聚合物的屈服聚合物的屈服n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(dòng)塑性流動(dòng)”，即，即鏈段沿外力方向開始取鏈段沿外力方向開始取向向。n高聚物在屈服點(diǎn)的高聚物在屈服點(diǎn)的應(yīng)變較大應(yīng)變較大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)?，剪切屈服?yīng)變?yōu)?0%-20%

21、。n屈服點(diǎn)以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)屈服點(diǎn)以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化。n屈服應(yīng)力對(duì)屈服應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率和溫度都敏感應(yīng)變速率和溫度都敏感。n屈服發(fā)生時(shí)，拉伸樣條表面產(chǎn)生屈服發(fā)生時(shí)，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(gè)樣條局部出現(xiàn)繼而整個(gè)樣條局部出現(xiàn)“細(xì)頸細(xì)頸”。成頸或冷拉，是薄膜或纖維拉伸工藝的基礎(chǔ)成頸或冷拉，是薄膜或纖維拉伸工藝的基礎(chǔ)應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化 Strain softening 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)屈服彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱為繼續(xù)屈服，包括：，包括：n 應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化：屈服后，應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力反而有稍許下跌的現(xiàn)：

22、屈服后，應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力反而有稍許下跌的現(xiàn)象，原因至今尚不清楚。象，原因至今尚不清楚。n 呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細(xì)頸細(xì)頸。n 塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟變軟。n 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。n 試樣試樣斷裂斷裂。331、細(xì)頸、細(xì)頸 Necking細(xì)頸細(xì)頸: 韌性聚合物在屈服點(diǎn)時(shí)?？煽吹皆嚇由铣霈F(xiàn)與拉伸方韌性聚合物在屈服點(diǎn)時(shí)?？煽吹皆嚇由铣霈F(xiàn)與拉伸方向成約向成約45角傾斜的剪切滑移變形帶（角傾斜的剪切滑移變形帶（Shear band)，并且，并且逐漸生成對(duì)稱的逐漸生成對(duì)稱的細(xì)頸。細(xì)頸。樣條尺

23、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(shí)間變短松弛時(shí)間變短出現(xiàn)出現(xiàn)“細(xì)頸細(xì)頸”的原因的原因無(wú)外力無(wú)外力有外力有外力 0ERTeRTaEe0為什么會(huì)出現(xiàn)細(xì)頸？為什么會(huì)出現(xiàn)細(xì)頸？細(xì)頸穩(wěn)定細(xì)頸穩(wěn)定取向硬化取向硬化Considre作圖法作圖法唯象角度唯象角度 判據(jù)35工程應(yīng)力和真應(yīng)力工程應(yīng)力和真應(yīng)力Engineering stress and true stress Engineering stressTrue stressForceInitial cross-section areaFo

24、rceCross-section area形變時(shí)，形變時(shí)，V不變不變36Considre 作圖法作圖法: :在真應(yīng)力在真應(yīng)力-應(yīng)變曲線上確應(yīng)變曲線上確定與工程應(yīng)力定與工程應(yīng)力-應(yīng)變屈服應(yīng)變屈服點(diǎn)點(diǎn)Y所對(duì)應(yīng)的所對(duì)應(yīng)的B點(diǎn)點(diǎn)Y點(diǎn)370 1 2 3DE0 1 2 30 1 2 3由 無(wú)法作切線，不能成頸0由 可作兩條切線，有兩個(gè)點(diǎn)滿足屈服條件，D點(diǎn)是屈服點(diǎn)，E點(diǎn)開始冷拉由 可作一條切線，曲線上有一個(gè)點(diǎn)滿足 ，此點(diǎn)為屈服點(diǎn)，在此點(diǎn)高聚物成頸00dd真真應(yīng)力真應(yīng)力-應(yīng)變曲線及屈服判據(jù)三種類型應(yīng)變曲線及屈服判據(jù)三種類型細(xì)頸變細(xì)，載荷不斷增細(xì)頸變細(xì)，載荷不斷增加，材料破裂，不能形加，材料破裂，不能形成穩(wěn)定的

25、細(xì)頸成穩(wěn)定的細(xì)頸應(yīng)變軟化0382 、剪切帶、剪切帶 Shear band WHY？39以單軸拉伸應(yīng)力分析為例說(shuō)明剪切屈服現(xiàn)象以單軸拉伸應(yīng)力分析為例說(shuō)明剪切屈服現(xiàn)象橫截面橫截面A0, 受到的應(yīng)力受到的應(yīng)力 0=F/A0斜截面斜截面A=A0/cos受 力法應(yīng)力法應(yīng)力切應(yīng)力切應(yīng)力40Discussion=0n=0s=0=45n=0/2s=0/2=90n=0s=00 /245o90o00oanas200coscos/ cosnFA001sin cossin22sFA抗張強(qiáng)度什么面最大？抗張強(qiáng)度什么面最大？ =0， n=0抗剪強(qiáng)度什么面最大？抗剪強(qiáng)度什么面最大？ =45， s=0/2抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度：抵

26、抗拉力的作用：抵抗拉力的作用抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度：抵抗剪力的作用：抵抗剪力的作用兩種兩種抵抗外力的方式抵抗外力的方式當(dāng)應(yīng)力當(dāng)應(yīng)力 0增加時(shí)，增加時(shí)，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同在在45o時(shí)時(shí), 切向應(yīng)力最大切向應(yīng)力最大法向應(yīng)力法向應(yīng)力與材料的與材料的抗拉伸能力抗拉伸能力有關(guān)，而抗拉伸能力極限值主要有關(guān)，而抗拉伸能力極限值主要取決于分子主鏈的強(qiáng)度（鍵能）。因此材料在拉伸作用下發(fā)生取決于分子主鏈的強(qiáng)度（鍵能）。因此材料在拉伸作用下發(fā)生破壞時(shí)，往往伴隨主鏈的斷裂。破壞時(shí)，往往伴隨主鏈的斷裂。切向應(yīng)力切向應(yīng)力與材料的與材料的抗剪切能力抗剪切能力相關(guān)，極限值主要取決于分子

27、間內(nèi)相關(guān)，極限值主要取決于分子間內(nèi)聚力。材料在聚力。材料在 作用下發(fā)生屈服時(shí)，往往發(fā)生分子鏈的相對(duì)滑移作用下發(fā)生屈服時(shí)，往往發(fā)生分子鏈的相對(duì)滑移（下圖）。（下圖）。垂直應(yīng)力下的分子鏈斷裂（垂直應(yīng)力下的分子鏈斷裂（a a）和剪切應(yīng)力下的分子鏈滑移（和剪切應(yīng)力下的分子鏈滑移（b b）n例題：已知材料的最大抗拉強(qiáng)度為30MPa，最大抗剪切強(qiáng)度為20MPa，試問(wèn)此材料是受張力破壞還是剪切作用下破壞？=0， n=0=45， s=0/20=30MPa0=40MPa先拉斷0=30MPa0=40MPa43圖8-17切應(yīng)力雙生互等定律：切應(yīng)力雙生互等定律：在兩個(gè)相互垂直的斜面上的剪應(yīng)力的數(shù)值相等，在兩個(gè)相互垂直

28、的斜面上的剪應(yīng)力的數(shù)值相等，方向相反，它們是不能單獨(dú)存在的，總是同時(shí)出現(xiàn)。方向相反，它們是不能單獨(dú)存在的，總是同時(shí)出現(xiàn)。切應(yīng)力雙生互等定律切應(yīng)力雙生互等定律 在外力場(chǎng)作用下，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布與應(yīng)力變化十分復(fù)雜，在外力場(chǎng)作用下，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布與應(yīng)力變化十分復(fù)雜，斷裂和屈服都有可能發(fā)生，處于相互競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)斷裂和屈服都有可能發(fā)生，處于相互競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。 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，因此材料屈服時(shí)首先出現(xiàn)與拉伸方向成約45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)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的斜截面上

29、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。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，而且斷面與拉伸方向相垂直。45剪切帶的特點(diǎn)剪切帶的特點(diǎn)剪切帶傾角很少恰為剪切帶傾角很少恰為45 ,一般大于一般大于45剪切屈服沒有明顯的體積變化剪切屈服沒有明顯的體積變化剪切帶中的分子鏈高度取向剪切帶中的分子鏈高度取向,取向方向接近于外力取向方向接近于外力和剪切力合力的方向和剪切力合力的方向剪切帶的厚度約為剪切帶的厚度約為1m左右，每個(gè)剪切帶又是由左右，每個(gè)剪切帶又是由若干個(gè)更細(xì)小的不規(guī)則微纖若干個(gè)更細(xì)小的不規(guī)則微纖(

30、0.1m)所構(gòu)所構(gòu)成成463 、銀紋、銀紋 Crazing定義：定義：聚合物在聚合物在張應(yīng)力張應(yīng)力作用下，在作用下，在材料的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)力集中產(chǎn)生局材料的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)力集中產(chǎn)生局部應(yīng)力部應(yīng)力塑性形變和取向塑性形變和取向，而在材料，而在材料表面或者內(nèi)部出現(xiàn)表面或者內(nèi)部出現(xiàn)垂直于應(yīng)力方向垂直于應(yīng)力方向長(zhǎng)度約長(zhǎng)度約100 m，寬度約為，寬度約為10 m，厚，厚度約度約1 m的微細(xì)凹槽或裂紋的現(xiàn)象。的微細(xì)凹槽或裂紋的現(xiàn)象。裂紋處的折光指數(shù)低于聚合物體的裂紋處的折光指數(shù)低于聚合物體的折光指數(shù)，在兩者的界面上發(fā)生全折光指數(shù)，在兩者的界面上發(fā)生全反射現(xiàn)象，看上去呈發(fā)亮的銀色條反射現(xiàn)象，看上去呈發(fā)亮的銀色條紋

31、，因此稱為紋，因此稱為銀紋銀紋。銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，常出現(xiàn)在非晶態(tài)聚合物銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，常出現(xiàn)在非晶態(tài)聚合物PS、PMMA、PC、PSF，在晶態(tài)聚合物，在晶態(tài)聚合物PP等也有發(fā)現(xiàn)等也有發(fā)現(xiàn)分類環(huán)境銀紋溶劑銀紋應(yīng)力銀紋PS的銀紋的銀紋47Microstructure of crazing也稱為銀紋質(zhì)也稱為銀紋質(zhì)高度取向的高分子鏈組成高度取向的高分子鏈組成微纖微纖 Microfibril微纖平行與外力方向，銀紋長(zhǎng)度方微纖平行與外力方向，銀紋長(zhǎng)度方向與外力垂直。向與外力垂直。48銀紋方向和分子鏈方向銀紋方向和分子鏈方向 聚合物橫向收縮不足補(bǔ)償塑聚合物橫向收縮不足補(bǔ)償塑性伸長(zhǎng)，致使銀紋體內(nèi)

32、產(chǎn)生大性伸長(zhǎng)，致使銀紋體內(nèi)產(chǎn)生大量空隙。銀紋不是空的，銀紋量空隙。銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的體的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于聚合物本體折折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，因此在銀紋和本體之光指數(shù)，因此在銀紋和本體之間的界面上將對(duì)光線產(chǎn)生全反間的界面上將對(duì)光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路。F拉伸試樣在拉斷前產(chǎn)生銀紋化現(xiàn)象：a圖為聚苯乙烯，b圖為有機(jī)玻璃注意銀紋方向與應(yīng)力方向垂直注意銀紋方向與應(yīng)力方向垂直50銀紋的擴(kuò)展中間斷裂擴(kuò)展形成裂紋中間斷裂擴(kuò)展形成裂紋裂紋（crack）銀紋（craze）圖19銀紋與裂紋的區(qū)別銀紋與裂紋的區(qū)別不利：不利：銀

33、紋會(huì)降低脆性高聚物的強(qiáng)度和使用壽命，往往是脆性銀紋會(huì)降低脆性高聚物的強(qiáng)度和使用壽命，往往是脆性高聚物破壞的先兆。高聚物破壞的先兆。有利：有利：橡膠增韌塑料中橡膠顆粒周圍的塑料基體受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)橡膠增韌塑料中橡膠顆粒周圍的塑料基體受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)生成大量銀紋，從而吸收大量塑性形變能，使材料韌性增加。生成大量銀紋，從而吸收大量塑性形變能，使材料韌性增加。相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：都是高聚物連續(xù)體破壞的結(jié)果。都是高聚物連續(xù)體破壞的結(jié)果。不同點(diǎn)：不同點(diǎn)：（1）銀紋體密度不為零；裂紋體密度等于零）銀紋體密度不為零；裂紋體密度等于零（2）銀紋體仍有一定的力學(xué)承載能力，裂紋體不能承載。）銀紋體仍有一定的力學(xué)承載能力，裂紋體

34、不能承載。（3）銀紋在壓力或）銀紋在壓力或Tg以上能退火時(shí)能回縮或消失；而裂紋不能。以上能退火時(shí)能回縮或消失；而裂紋不能。銀紋的不利和有利之處銀紋的不利和有利之處534、 細(xì)頸、細(xì)頸、銀紋和剪切帶的比較銀紋和剪切帶的比較相同點(diǎn)相同點(diǎn): 均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服主要主要區(qū)別區(qū)別細(xì)頸、剪切帶細(xì)頸、剪切帶銀紋屈服銀紋屈服形形 變變形變大幾十形變大幾十幾百幾百%形變小形變小 10%曲線特征曲線特征有明顯的屈服點(diǎn)有明顯的屈服點(diǎn)無(wú)明顯的屈服點(diǎn)無(wú)明顯的屈服點(diǎn)體體 積積體體 積積

35、 不不 變變體體 積積 增增 加加力力剪剪 切切 力力張張 應(yīng)應(yīng) 力力結(jié)結(jié) 果果冷冷 拉拉裂裂 縫縫54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8.2 聚合物的斷裂與強(qiáng)度聚合物的斷裂與強(qiáng)度558.2.1 脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂TT脆性斷裂：脆性斷裂： 的關(guān)系是線性（或微曲）；的關(guān)系是線性（或微曲）； 斷裂應(yīng)變低于，斷裂能不大；斷裂應(yīng)變低于，斷裂能不大； 斷裂面光滑。斷裂面光滑。韌性斷裂韌性斷裂： 關(guān)系非線性；關(guān)系非線性； 斷裂前形變大得多，斷裂能很大；斷裂前形變大得多，斷裂能很大； 斷裂面粗糙。斷裂面

36、粗糙。斷裂面形狀和斷裂能是區(qū)別脆性和韌性斷裂最主斷裂面形狀和斷裂能是區(qū)別脆性和韌性斷裂最主要的指標(biāo)。要的指標(biāo)。脆性斷裂和韌性斷裂表面脆性斷裂和韌性斷裂表面 左圖脆性試樣斷裂表面的照片；右圖韌性試樣斷裂表面的照片左圖脆性試樣斷裂表面的照片；右圖韌性試樣斷裂表面的照片左圖脆性試樣斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣斷裂表面的電鏡照片左圖脆性試樣斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣斷裂表面的電鏡照片拉絲現(xiàn)象拉絲現(xiàn)象58試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)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，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度裂還與溫度T 和拉伸速度和拉伸

37、速度 有關(guān)。有關(guān)。溫度：溫度：低溫的脆性斷裂在高溫可以變成韌性低溫的脆性斷裂在高溫可以變成韌性應(yīng)變速率應(yīng)變速率: 速度增加速度增加,韌性可以變成脆性斷裂韌性可以變成脆性斷裂脆性斷裂和韌性斷裂互相轉(zhuǎn)變脆性斷裂和韌性斷裂互相轉(zhuǎn)變?nèi)笨谌笨? 尖銳的缺口可使斷裂從韌性變成脆性尖銳的缺口可使斷裂從韌性變成脆性59Comparing of brittle and ductile fractures（分析判斷）（分析判斷）脆性斷裂脆性斷裂 韌性斷裂韌性斷裂屈服-線b斷裂能斷裂表面斷裂原因無(wú)有無(wú)有線性非線性線性非線性小大小大小大小大平滑 粗糙平滑 粗糙法向應(yīng)力剪切應(yīng)力 法向應(yīng)力剪切應(yīng)力60相比于脆性斷裂，韌性

38、斷裂的斷裂面較為 斷裂伸長(zhǎng)率較光滑大小粗糙例題：61脆韌轉(zhuǎn)變溫度脆韌轉(zhuǎn)變溫度 TbTb is also called brittle temperature.脆化溫度，脆化點(diǎn)在一定速率下（不同溫度）測(cè)定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨溫度的變化曲線62斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力和和屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力誰(shuí)對(duì)應(yīng)變速率更敏感？誰(shuí)對(duì)應(yīng)變速率更敏感？在一定溫度下（不同速率）測(cè)定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨應(yīng)變速率的變化曲線63脆性斷裂和韌性斷裂判斷脆性斷裂和韌性斷裂判斷TTb, 先達(dá)到y(tǒng)，韌性斷裂64Application對(duì)材料對(duì)材料一般使用溫度一般使用溫度為哪一段？為哪一段？T TbTb

39、越低材料韌性越好差65TbTgTfTdThree statesTgTf66Example PC聚碳酸酯聚碳酸酯Tg=150CTb=-20C室溫下易不易碎？67Example PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100CTb=90C室溫下脆還是韌？68強(qiáng)度是指物質(zhì)抵抗強(qiáng)度是指物質(zhì)抵抗破壞的能力破壞的能力聚合物的強(qiáng)度聚合物的強(qiáng)度69拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度b-試樣厚度，d-試樣寬度P-最大載荷統(tǒng)一使用拉伸強(qiáng)度tN/m270硬度硬度衡量材料表面抵抗機(jī)械壓力的能力的一種指標(biāo)衡量材料表面抵抗機(jī)械壓力的能力的一種指標(biāo)硬度的大小與材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量有關(guān)硬度的大小與材料的拉伸強(qiáng)度和彈

40、性模量有關(guān)測(cè)量和計(jì)算方法不同測(cè)量和計(jì)算方法不同,硬度可分為布氏、洛氏、邵氏硬度硬度可分為布氏、洛氏、邵氏硬度71理論值材料的破壞方式材料的破壞方式72在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)度在在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)度在幾千幾千MPa，而實(shí)際只有幾十，而實(shí)際只有幾十MPa 。WHY？e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPa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)度實(shí)際的聚合物達(dá)不到那種完全規(guī)整實(shí)際的聚合物達(dá)不到那種完全規(guī)整的水平，的水平，存在應(yīng)力集中（雜質(zhì)，小裂紋，空隙，缺口）存在應(yīng)力集中（雜質(zhì)，小裂紋，空隙，缺口）73為什么材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于

41、理論強(qiáng)度？存在缺陷為什么在缺陷處斷裂？缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力多大？Griffith theoryGriffith crack theory 斷裂理論斷裂理論74主要方式化學(xué)鍵斷裂化學(xué)鍵斷裂所需力最大所需力最大分子間扯離分子間扯離所需力最小所需力最小通過(guò)斷裂形式分析：通過(guò)斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對(duì)強(qiáng)度影響最大分子之間相互作用大小對(duì)強(qiáng)度影響最大 影響拉伸強(qiáng)度的因素影響拉伸強(qiáng)度的因素 1、結(jié)構(gòu)因素 2、外在條件75極性基團(tuán)或氫鍵極性基團(tuán)或氫鍵主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)適度的交聯(lián)適度的交聯(lián)結(jié)晶度大結(jié)晶度大取向取向高低拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 t高低加入增塑劑加入增塑劑高低高低高低高低缺陷

42、存在缺陷存在高低分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)1，分子結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)內(nèi)因內(nèi)因聚合物聚合物PPPVCN-610N-66強(qiáng)度強(qiáng)度MPa2528506183（1 1）一次結(jié)構(gòu)：）一次結(jié)構(gòu)： 鏈節(jié)含有強(qiáng)極性基團(tuán)或氫鍵鏈節(jié)含有強(qiáng)極性基團(tuán)或氫鍵的基團(tuán)使得分子間作用力增大，的基團(tuán)使得分子間作用力增大，強(qiáng)度提高強(qiáng)度提高隨著極性基團(tuán)或氫鍵隨著極性基團(tuán)或氫鍵 ，強(qiáng)度，強(qiáng)度 ，但密度大，阻礙鏈段的運(yùn)，但密度大，阻礙鏈段的運(yùn)動(dòng)，不能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變動(dòng)，不能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變脆性斷裂脆性斷裂交聯(lián)：交聯(lián)：適當(dāng)交聯(lián)，總是提高聚合物的強(qiáng)度，但如果交聯(lián)度太適當(dāng)交聯(lián)，總是提高聚合物的強(qiáng)度，但如果交聯(lián)度太大，會(huì)使其脆性太大而失去應(yīng)用價(jià)值。大，會(huì)使

43、其脆性太大而失去應(yīng)用價(jià)值。交聯(lián)劑當(dāng)量濃度交聯(lián)劑當(dāng)量濃度0.10.31.02.53.58.0 b100092068044028090斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度MPa6.471621.716.46.784.6空間立構(gòu)：空間立構(gòu)：結(jié)構(gòu)規(guī)整和等規(guī)度高的聚合物因結(jié)晶而強(qiáng)度提高。結(jié)構(gòu)規(guī)整和等規(guī)度高的聚合物因結(jié)晶而強(qiáng)度提高。無(wú)規(guī)立構(gòu)含量對(duì)無(wú)規(guī)立構(gòu)含量對(duì)PPPP性能影響性能影響無(wú)規(guī)立構(gòu)含量無(wú)規(guī)立構(gòu)含量抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度MPa2.034.53.532.56.429支化：支化：支化破壞了鏈的規(guī)整性結(jié)晶度降低，還增加了分支化破壞了鏈的規(guī)整性結(jié)晶度降低，還增加了分子間的距離分子間力減小，都使強(qiáng)度降低。但是韌性有所子間的距離分子間

44、力減小，都使強(qiáng)度降低。但是韌性有所提高提高。聚合物聚合物抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度 b(%)支化程度支化程度LDPE715300支化多支化多HDPE212760支化少支化少支支(2) (2) 二次結(jié)構(gòu)二次結(jié)構(gòu)： 鏈的剛性鏈的剛性 高分子鏈剛性高分子鏈剛性增加，聚合物強(qiáng)度增加，韌性下降，像主鏈增加，聚合物強(qiáng)度增加，韌性下降，像主鏈含有芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的聚合物其強(qiáng)度和模量比脂肪族主鏈高。主鏈含有芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的聚合物其強(qiáng)度和模量比脂肪族主鏈高。主鏈上含有大的側(cè)基，剛性大。上含有大的側(cè)基，剛性大。eg. PE 24.5N/m2，PS 35.260N/m2， PET 80N/m2：強(qiáng)度分子量nBAM， 斷裂強(qiáng)度。當(dāng)分子量

45、很小時(shí)，強(qiáng)度隨著分子量增加當(dāng)分子量很小時(shí)，強(qiáng)度隨著分子量增加而增加，而增加，當(dāng)分子量大到一定值，強(qiáng)度與分子量無(wú)當(dāng)分子量大到一定值，強(qiáng)度與分子量無(wú)關(guān)。關(guān)。 一般認(rèn)為分子量分布寬時(shí)，強(qiáng)度明顯下降，這是因?yàn)榈头肿右话阏J(rèn)為分子量分布寬時(shí)，強(qiáng)度明顯下降，這是因?yàn)榈头肿恿康奈镔|(zhì)相當(dāng)于增塑劑的緣故。分子量分布窄時(shí)剛好相反。量的物質(zhì)相當(dāng)于增塑劑的緣故。分子量分布窄時(shí)剛好相反。理論解釋：理論解釋： 強(qiáng)度是由強(qiáng)度是由分子間作用力和化學(xué)鍵分子間作用力和化學(xué)鍵決定，分子間作用力具有決定，分子間作用力具有加和性，隨著分子量的增加和性，隨著分子量的增對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響而增加，當(dāng)而增加，當(dāng)分子量小時(shí)分

46、子間作用力小于化學(xué)鍵，破壞發(fā)生在分子間，分子量小時(shí)分子間作用力小于化學(xué)鍵，破壞發(fā)生在分子間，當(dāng)分子量大到比化學(xué)鍵大時(shí)，破壞發(fā)生在化學(xué)鍵上，強(qiáng)度與當(dāng)分子量大到比化學(xué)鍵大時(shí)，破壞發(fā)生在化學(xué)鍵上，強(qiáng)度與分子量無(wú)關(guān)分子量無(wú)關(guān)(3)(3)三次結(jié)構(gòu)：三次結(jié)構(gòu)： 結(jié)晶度結(jié)晶度增加，強(qiáng)度增加韌性下降以增加，強(qiáng)度增加韌性下降以PE為例。為例。聚乙烯強(qiáng)度與結(jié)晶度的關(guān)系聚乙烯強(qiáng)度與結(jié)晶度的關(guān)系結(jié)晶度（）結(jié)晶度（）657585斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度14.41825斷裂伸長(zhǎng)斷裂伸長(zhǎng)500300100球晶尺寸（球晶尺寸（ m）抗拉強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度（N/m2）斷裂伸長(zhǎng)斷裂伸長(zhǎng)(%)1030050020225253012525 晶體

47、尺寸晶體尺寸：小球晶：小球晶： y 、E、斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂伸長(zhǎng)率、 b高高大球晶：下降大球晶：下降 結(jié)晶形態(tài)結(jié)晶形態(tài)：同一類聚合物，伸直鏈強(qiáng)度最大，串晶次之，：同一類聚合物，伸直鏈強(qiáng)度最大，串晶次之，球晶最小。球晶最小。 取向取向：可使材料強(qiáng)度提高幾倍幾十倍，對(duì)纖維和薄膜，：可使材料強(qiáng)度提高幾倍幾十倍，對(duì)纖維和薄膜，取向是提高性能必不可少的措施。取向是提高性能必不可少的措施。原因：取向后分子沿外力的方向有序排列，斷裂時(shí)主價(jià)鍵原因：取向后分子沿外力的方向有序排列，斷裂時(shí)主價(jià)鍵比例增大，而使聚合物強(qiáng)度提高。比例增大，而使聚合物強(qiáng)度提高。注意：注意：當(dāng)外力與取向方向平行，強(qiáng)度高，垂直，強(qiáng)度低。當(dāng)外力

48、與取向方向平行，強(qiáng)度高，垂直，強(qiáng)度低。 應(yīng)力集中應(yīng)力集中: :高聚物由于下列原因產(chǎn)生應(yīng)力集中，盡管試樣受高聚物由于下列原因產(chǎn)生應(yīng)力集中，盡管試樣受力沒有達(dá)到破壞的程度，但是局部應(yīng)力集中可以超過(guò)聚合物的力沒有達(dá)到破壞的程度，但是局部應(yīng)力集中可以超過(guò)聚合物的強(qiáng)度。使強(qiáng)度降低。強(qiáng)度。使強(qiáng)度降低。幾何尺寸的不連續(xù)幾何尺寸的不連續(xù)：空口，空隙，銀紋，溝槽等：空口，空隙，銀紋，溝槽等材料的不連續(xù)材料的不連續(xù)：雜質(zhì)：雜質(zhì)負(fù)荷的不連續(xù)負(fù)荷的不連續(xù)：掛一個(gè)重物，載體上各處受力的程度不同，：掛一個(gè)重物，載體上各處受力的程度不同，掛的地方首先破壞。掛的地方首先破壞。為了提高強(qiáng)度，必須消除應(yīng)力集中，如人們將纖維作的很

49、細(xì)，為了提高強(qiáng)度，必須消除應(yīng)力集中，如人們將纖維作的很細(xì)，以消除缺陷，裂紋。以消除缺陷，裂紋。裂紋形狀的影響裂紋形狀的影響：裂縫越尖，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，強(qiáng)度越低一：裂縫越尖，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，強(qiáng)度越低一般認(rèn)為：裂縫般認(rèn)為：裂縫橢圓橢圓圓圓加工方式的影響加工方式的影響：將結(jié)晶聚合物淬冷或者加入成核劑，得到：將結(jié)晶聚合物淬冷或者加入成核劑，得到小而多的晶體，抗張強(qiáng)度提高，沖擊強(qiáng)度提高。如小而多的晶體，抗張強(qiáng)度提高，沖擊強(qiáng)度提高。如PP脆，但脆，但是加入成核劑，韌性增大，還有用熱處理可以提高強(qiáng)度。是加入成核劑，韌性增大，還有用熱處理可以提高強(qiáng)度。 增塑劑的影響：增塑劑的影響： 抗張強(qiáng)度降低抗張強(qiáng)度降低原

50、因：原因：能夠同聚合物相容的小分子，是使分子鏈之間的相互作用能夠同聚合物相容的小分子，是使分子鏈之間的相互作用減弱，分子鏈活動(dòng)性增加。從而使材料的拉伸強(qiáng)度下降。減弱，分子鏈活動(dòng)性增加。從而使材料的拉伸強(qiáng)度下降。(7)(7)共聚和共混的影響：共聚和共混的影響： 如如PS很脆，但是與丙烯腈共聚所得聚合物的抗張強(qiáng)度沖很脆，但是與丙烯腈共聚所得聚合物的抗張強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度都提高。若進(jìn)一步與丁二烯聚合，得到抗沖擊強(qiáng)度很高擊強(qiáng)度都提高。若進(jìn)一步與丁二烯聚合，得到抗沖擊強(qiáng)度很高的的ABS 樹脂。樹脂。 提高提高( (降低降低) )拉伸速率拉伸速率 拉伸溫度影響拉伸溫度影響: T 拉伸速度影響拉伸速度影響: 速度

51、,屈服強(qiáng)度 降低降低( (升高升高) )拉伸溫度拉伸溫度外因外因高分子鏈運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，有明顯的時(shí)間、溫度依賴性松高分子鏈運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，有明顯的時(shí)間、溫度依賴性松弛特性，所以外力作用速度和溫度對(duì)強(qiáng)度有明顯的影響。弛特性，所以外力作用速度和溫度對(duì)強(qiáng)度有明顯的影響。Conclution：隨溫度的降低或拉伸速率的提高， b、y、E增大， 斷裂伸長(zhǎng)率減少，聚合物的破壞方式由韌性趨向脆性破壞85增強(qiáng)途徑增強(qiáng)途徑8.2.4 聚合物的增強(qiáng)聚合物的增強(qiáng) ReinforcementC ，SiO2PolyesterGlass, Carbon fiber(1) 活性粒子（ Powder）(2) 纖維 Fiber(3) 液

52、晶 Liquid Crystal粉狀和纖維填料粉狀和纖維填料液晶原位增強(qiáng)復(fù)合液晶原位增強(qiáng)復(fù)合聚合物基納米復(fù)合材料聚合物基納米復(fù)合材料由于單一聚合物許多性能不能滿足需要。常常需要加入一些物質(zhì)，形成復(fù)合材料復(fù)合材料(compositematerial)。通過(guò)復(fù)合來(lái)顯著提高材料的力學(xué)強(qiáng)度的作用稱為增強(qiáng)作用。能夠提高聚合物基體力學(xué)強(qiáng)度的物質(zhì)稱為增強(qiáng)劑增強(qiáng)劑。86（1）活性粒子增強(qiáng)）活性粒子增強(qiáng)Carbon black reinforcement橡膠+碳黑惰性填料怎么辦？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉增強(qiáng)機(jī)理：增強(qiáng)機(jī)理：活性粒子吸附大分子活性粒子吸附大分子，形成鏈間物理交聯(lián)，活性粒子，形成鏈間物理

53、交聯(lián)，活性粒子起起物理交聯(lián)點(diǎn)物理交聯(lián)點(diǎn)的作用。的作用。87（2）纖維增強(qiáng)）纖維增強(qiáng)Glass steel boatglassy fiber+polyester例：尼龍+玻纖/碳纖維/晶須/硼纖維增強(qiáng)效果與纖維的長(zhǎng)度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關(guān)增強(qiáng)效果與纖維的長(zhǎng)度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關(guān)增強(qiáng)機(jī)理：增強(qiáng)機(jī)理：纖維作為纖維作為骨架骨架幫助基體承擔(dān)載荷幫助基體承擔(dān)載荷Carbon fiber89（3）液晶原位增強(qiáng)液晶原位增強(qiáng)熱致液晶+熱塑性聚合物共聚酯，聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum增強(qiáng)機(jī)理：增強(qiáng)機(jī)理：熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混物中形成熱致液晶中的液晶棒狀分子在共

54、混物中形成微纖微纖結(jié)構(gòu)而到增強(qiáng)作用。由于微纖結(jié)構(gòu)是加工過(guò)程中由液晶棒狀結(jié)構(gòu)而到增強(qiáng)作用。由于微纖結(jié)構(gòu)是加工過(guò)程中由液晶棒狀分子在共混無(wú)物基體中就地形成的，故稱做分子在共混無(wú)物基體中就地形成的，故稱做“原位原位”復(fù)合增復(fù)合增強(qiáng)。強(qiáng)。隨著增強(qiáng)劑含量的增加，聚合物的彈性模量和拉伸強(qiáng)度增加，而斷裂隨著增強(qiáng)劑含量的增加，聚合物的彈性模量和拉伸強(qiáng)度增加，而斷裂伸張率下降。由韌性向脆性轉(zhuǎn)變。伸張率下降。由韌性向脆性轉(zhuǎn)變。90(4) 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料插層復(fù)合法 (intercalation compouding)聚合物聚合物/粘土納粘土納米復(fù)合材料米復(fù)合材料共混法 聚合物聚合物/納米粒子納米粒

55、子(CaCO3, SiO2 etc)Sol-gel 法原位聚合 (in situ polymerization)納米材料特殊效應(yīng)：納米材料特殊效應(yīng)：納米尺度效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸納米尺度效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，使納米材料具有特殊的力學(xué)、光學(xué)、效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，使納米材料具有特殊的力學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、超導(dǎo)、催化、化學(xué)反應(yīng)等性能。磁學(xué)、超導(dǎo)、催化、化學(xué)反應(yīng)等性能。制備方法制備方法91Stress-strain曲線下面積稱作曲線下面積稱作斷裂能斷裂能：材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。反映材料反映材料拉伸斷裂韌性拉伸斷裂韌性大小

56、大小8.2.5 聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性斷裂能斷裂能 Fracture energy92是衡量材料韌性的一種指標(biāo)沖斷試樣所消耗的功沖斷試樣的厚度和寬度1、沖擊強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度 Impact strength定義：試樣在沖擊載荷W的作用下折斷或折裂時(shí)單位截面積所吸收的能量，單位kJ/m2）增韌劑：增韌劑： elasticizer, plasticizer, softener93Pendulum machine 擺錘沖擊機(jī)擺錘沖擊機(jī)Charpy 簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)支梁Izod 懸臂梁懸臂梁強(qiáng)度強(qiáng)度延展性延展性分子間作用力分子間作用力分子鏈柔順性分子鏈柔順性內(nèi)因內(nèi)因 鏈結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu) 凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)

57、分子間作用力分子間作用力2、 影響沖擊強(qiáng)度的因素影響沖擊強(qiáng)度的因素外因外因溫度溫度應(yīng)變速率應(yīng)變速率1）Chain Structure 鏈結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)增加高分子的極性或產(chǎn)生氫鍵，雖然可提增加高分子的極性或產(chǎn)生氫鍵，雖然可提高拉伸強(qiáng)度，但如果極性基團(tuán)過(guò)密，阻礙高拉伸強(qiáng)度，但如果極性基團(tuán)過(guò)密，阻礙鏈段運(yùn)動(dòng)，以致不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫高彈性變，鏈段運(yùn)動(dòng)，以致不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫高彈性變，則沖擊強(qiáng)度下降，材料變?yōu)榇嘈浴t沖擊強(qiáng)度下降，材料變?yōu)榇嘈?。?nèi)因內(nèi)因2）Crystallization 結(jié)晶結(jié)晶4）Defects 缺陷缺陷材料受力時(shí)在裂縫、孔隙、缺口、雜質(zhì)等缺陷附近的局部材料受力時(shí)在裂縫、孔隙、缺口、雜質(zhì)等缺陷附近的局部范圍造成應(yīng)力集中，從而嚴(yán)重降低材料的拉伸和沖擊強(qiáng)度范圍造成應(yīng)力集中，從而嚴(yán)重降低材料的拉伸和沖擊強(qiáng)度3）Orientation取向取向垂直于取向方向的沖擊強(qiáng)度提高垂直于取向方向的沖擊強(qiáng)度提高 加入加入增塑劑增塑劑后后沖擊