第7章 高聚物屈服和斷裂

1、1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 概論概論1高分子的鏈結(jié)構(gòu)高分子的鏈結(jié)構(gòu)2高分子的溶液性質(zhì)高分子的溶液性質(zhì)3高分子的多組分體系高分子的多組分體系4聚合物的非晶態(tài)聚合物的非晶態(tài)5聚合物的結(jié)晶態(tài)聚合物的結(jié)晶態(tài)6聚合物的屈服和斷裂聚合物的屈服和斷裂7聚合物的高彈性和粘彈性聚合物的高彈性和粘彈性8聚合物的其他性質(zhì)聚合物的其他性質(zhì)91010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.1 概述概述7.2 聚合物的拉伸行為聚合物的拉伸行為7.3 聚合物的屈服行為聚合物的屈服行為7.4 聚合物的斷裂理論和理論強度聚合物的斷裂理論和理論強度7.5 影響聚合物實際強度的

2、因素影響聚合物實際強度的因素1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.1 7.1 概述概述 1-1 力學(xué)性能分類力學(xué)性能分類 1-2 表征力學(xué)性能的基本物理量表征力學(xué)性能的基本物理量 1-3 高聚物力學(xué)性能的特點高聚物力學(xué)性能的特點研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力的持研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力的持續(xù)作用或強大外力的短時作用后，聚合物發(fā)生大續(xù)作用或強大外力的短時作用后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂。形變直至宏觀破壞或斷裂。1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件常用術(shù)語：常用術(shù)語： 力學(xué)行為：力學(xué)行為：指施加一個外力在材料上，它指施加一個外力在材料上，它

3、產(chǎn)生怎樣的形變（響應(yīng)）產(chǎn)生怎樣的形變（響應(yīng)） 形變性能：形變性能：非極限情況下的力學(xué)行為非極限情況下的力學(xué)行為 斷裂性能：斷裂性能：極限情況下的力學(xué)行為極限情況下的力學(xué)行為 彈性：彈性：對于理想彈性體來講，其彈性形變對于理想彈性體來講，其彈性形變可用虎克定律來表示，即：應(yīng)力與應(yīng)變成可用虎克定律來表示，即：應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，應(yīng)變與時間無關(guān)正比關(guān)系，應(yīng)變與時間無關(guān)7.1 概述1-1 1-1 力學(xué)性能分類力學(xué)性能分類1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件 粘性：粘性：在外力作用下，分子與分子之間發(fā)生在外力作用下，分子與分子之間發(fā)生位移，理想的粘性流體其流動形變可用牛頓位移，理想的粘

4、性流體其流動形變可用牛頓定律來描述：應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比定律來描述：應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比 普彈性：普彈性：大應(yīng)力作用下，只產(chǎn)生小的、線性大應(yīng)力作用下，只產(chǎn)生小的、線性可逆形變，它是由化學(xué)鍵的鍵長，鍵角變化可逆形變，它是由化學(xué)鍵的鍵長，鍵角變化引起的。與材料的內(nèi)能變化有關(guān)：引起的。與材料的內(nèi)能變化有關(guān)：形變時內(nèi)形變時內(nèi)能增加，形變恢復(fù)時，放出能量，對外做功能增加，形變恢復(fù)時，放出能量，對外做功（玻璃態(tài)，晶態(tài)，高聚物，金屬，陶瓷均有（玻璃態(tài)，晶態(tài)，高聚物，金屬，陶瓷均有這種性能），普彈性又稱能彈性這種性能），普彈性又稱能彈性7.1 概述1-1 1-1 力學(xué)性能分類力學(xué)性能分類1010級高分子物理多

5、媒體課件級高分子物理多媒體課件 高彈性：高彈性：小的應(yīng)力作用下可發(fā)生很大的可逆形變，小的應(yīng)力作用下可發(fā)生很大的可逆形變，是由內(nèi)部構(gòu)象熵變引起的，所以也稱熵彈性（橡是由內(nèi)部構(gòu)象熵變引起的，所以也稱熵彈性（橡膠具有高彈性）膠具有高彈性） 靜態(tài)力學(xué)性能：靜態(tài)力學(xué)性能：在恒應(yīng)力或恒應(yīng)變情況下的力學(xué)在恒應(yīng)力或恒應(yīng)變情況下的力學(xué)行為行為 動態(tài)力學(xué)性能：動態(tài)力學(xué)性能：物體在交變應(yīng)力下的粘彈性行為物體在交變應(yīng)力下的粘彈性行為7.1 概述1-1 1-1 力學(xué)性能分類力學(xué)性能分類1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件 應(yīng)力松弛：應(yīng)力松弛：在恒應(yīng)變情況下，應(yīng)力隨時間的變化在恒應(yīng)變情況下，應(yīng)力隨時間的變

6、化 蠕變：蠕變：在恒應(yīng)力下，物體的形變隨時間的變化在恒應(yīng)力下，物體的形變隨時間的變化 強度：強度：材料所能承受的應(yīng)力材料所能承受的應(yīng)力 韌性：韌性：材料斷裂時所吸收的能量材料斷裂時所吸收的能量7.1 概述1-1 1-1 力學(xué)性能分類力學(xué)性能分類1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件彈彈 性性粘彈性粘彈性非線性粘彈性非線性粘彈性線性粘彈性線性粘彈性高彈性高彈性普彈性普彈性動動 態(tài)態(tài)靜靜 態(tài)態(tài)粘粘 性性Deformation形變性能形變性能ElasticityHigh elasticityViscosityviscoelasticityL i n e a r viscoelastic

7、ityStaticDynamicNon-Linear viscoelasticity應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛蠕蠕 變變滯滯 后后力學(xué)損耗力學(xué)損耗1-1 1-1 力學(xué)性能分類力學(xué)性能分類7.1 概述1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件斷裂性能斷裂性能韌韌 性性強強 度度FractureToughnessStrength1-1 1-1 力學(xué)性能分類力學(xué)性能分類7.1 概述1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件1-2 1-2 表征材料力學(xué)性能的基本物理量表征材料力學(xué)性能的基本物理量受受力力方方式式簡單拉伸簡單拉伸簡單剪切簡單剪切均勻壓縮均勻壓縮參數(shù)參數(shù)受受力力特特點點外力外力F

8、是與截面是與截面垂直，大小相等，垂直，大小相等，方向相反，作用方向相反，作用在同一直線上的在同一直線上的兩個力。兩個力。外力外力F是與界面是與界面平行，大小相平行，大小相等，方向相反等，方向相反的兩個力。的兩個力。材料受到的材料受到的是圍壓力。是圍壓力。,FFFF0l7.1 概述1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件應(yīng)變應(yīng)變張應(yīng)變：張應(yīng)變： 真應(yīng)變：真應(yīng)變： 切應(yīng)變：切應(yīng)變： 是偏斜角是偏斜角壓縮應(yīng)變：壓縮應(yīng)變： 應(yīng)力應(yīng)力張應(yīng)力：張應(yīng)力：真應(yīng)力：真應(yīng)力： 切應(yīng)力：切應(yīng)力： 壓力壓力P00lll lliildl0tgr 0VV0AFAF0AFs7.1 概述1-2 1-2 表征材料力

9、學(xué)性能的基本物理量1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件彈彈性性模模量量楊氏模量：楊氏模量： 泊松比：泊松比： 切變模量：切變模量：體積模量：體積模量：柔柔量量拉伸柔量：拉伸柔量： 切變?nèi)崃浚呵凶內(nèi)崃浚?可壓縮度：可壓縮度： 機械機械強度強度00llAFE縱向單位寬度的增加橫向單向單位寬度的llmmtgAFrGs0VPVPB0ED1GJ1B11010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件1-3 1-3 高聚物力學(xué)性能的特點高聚物力學(xué)性能的特點 1高聚物材料具有所有已知材料可變性范高聚物材料具有所有已知材料可變性范圍最寬的力學(xué)性質(zhì)，包括從液體、軟橡皮圍最寬的力學(xué)性質(zhì)，包括從液

10、體、軟橡皮到很硬的固體，各種高聚物對于機械應(yīng)力到很硬的固體，各種高聚物對于機械應(yīng)力的反應(yīng)相差很大，例如：的反應(yīng)相差很大，例如：7.1 概述1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件 PS制品很脆，一敲就碎（脆性）制品很脆，一敲就碎（脆性） 尼龍制品很堅韌，不易變形，也不易破碎尼龍制品很堅韌，不易變形，也不易破碎（韌性）（韌性） 輕度交聯(lián)的橡膠拉伸時，可伸長好幾倍，輕度交聯(lián)的橡膠拉伸時，可伸長好幾倍，力解除后基本恢復(fù)原狀（彈性）力解除后基本恢復(fù)原狀（彈性） 膠泥變形后，卻完全保持新的形狀（粘性）膠泥變形后，卻完全保持新的形狀（粘性） 高聚物力學(xué)性質(zhì)的這種多樣性，為不同的高聚物力學(xué)性質(zhì)的

11、這種多樣性，為不同的應(yīng)用提供了廣闊的選擇余地應(yīng)用提供了廣闊的選擇余地1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件 2.高聚物力學(xué)性能的最大特點是高聚物力學(xué)性能的最大特點是高高 彈彈 性性 和和 粘粘 彈彈 性性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件（1 1）高聚物的高彈性：是由于高聚物極大的）高聚物的高彈性：是由于高聚物極大的分子量使得高分子鏈有分子量使得高分子鏈有許多不同的構(gòu)象許多不同的構(gòu)象，而，而構(gòu)象的改變導(dǎo)致高分子鏈有其特有的構(gòu)象的改變導(dǎo)致高分子鏈有其特有的柔順性柔順性。鏈柔性在性能上的表現(xiàn)就是高聚物的鏈柔性在性能上的表現(xiàn)就是高聚物的高彈性高彈性。 它與一般材料的普

12、彈性的差別就是因為它與一般材料的普彈性的差別就是因為構(gòu)象構(gòu)象的改變的改變；形變時構(gòu)象熵減小，恢復(fù)時增加。；形變時構(gòu)象熵減小，恢復(fù)時增加。內(nèi)能在高彈性形變中不起主要作用（它卻是內(nèi)能在高彈性形變中不起主要作用（它卻是普彈形變的主要起因）普彈形變的主要起因）1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件（2）高聚物的粘彈性：指高聚物材料不但具）高聚物的粘彈性：指高聚物材料不但具有彈性材料的一般特性，同時還具有粘性有彈性材料的一般特性，同時還具有粘性流體的一些特性。彈性和粘性在高聚物材流體的一些特性。彈性和粘性在高聚物材料身上同時呈現(xiàn)得特別明顯。料身上同時呈現(xiàn)得特別明顯。 高聚物的粘彈性表現(xiàn)在它

13、有突出的高聚物的粘彈性表現(xiàn)在它有突出的力學(xué)松力學(xué)松弛現(xiàn)象弛現(xiàn)象，在研究它的力學(xué)性能時必須考慮，在研究它的力學(xué)性能時必須考慮應(yīng)力、應(yīng)變與應(yīng)力、應(yīng)變與時間時間的關(guān)系。的關(guān)系。溫度溫度對力學(xué)性對力學(xué)性能也是非常重要的因素。能也是非常重要的因素。1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件 描述粘彈性高聚物材料的力學(xué)行為必須同描述粘彈性高聚物材料的力學(xué)行為必須同時考慮時考慮應(yīng)力、應(yīng)變、時間和溫度應(yīng)力、應(yīng)變、時間和溫度四個參數(shù)。四個參數(shù)。 高聚物材料的力學(xué)性能高聚物材料的力學(xué)性能對時間和溫度的強對時間和溫度的強烈依賴性烈依賴性是研究其力學(xué)性能中要著重弄清是研究其力學(xué)性能中要著重弄清的問題，也是進

14、行高聚物材料的的問題，也是進行高聚物材料的測試及使測試及使用用時必須十分注意的問題。時必須十分注意的問題。1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.2 聚合物的拉伸行為1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.2 聚合物的拉伸行為1 1 玻璃態(tài)聚合物的拉伸玻璃態(tài)聚合物的拉伸a: TTg c: TTg (幾十度幾十度)d: T接近接近Tgb: T 生成新表面自由能，裂紋擴展；生成新表面自由能，裂紋擴展； 釋放彈性能釋放彈性能 = 生成新表面自由能，臨界狀態(tài)。生成新表面自由能，臨界狀態(tài)。2）格里菲斯Griffith線彈性斷裂理論2 斷裂理論斷裂理論1010級高分子物理多

15、媒體課件級高分子物理多媒體課件2）格里菲斯Griffith線彈性斷裂理論2 斷裂理論斷裂理論使使1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件2 斷裂理論斷裂理論1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件2 斷裂理論斷裂理論1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件用于脆性聚合物用于脆性聚合物2 斷裂理論斷裂理論1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件Griffith理論的局限性：理論的局限性： 依靠能量平衡原理，未涉及裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力集中依靠能量平衡原理，未涉及裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力集中問題。對韌性好的材料，裂紋尖端的應(yīng)力集中一旦超過屈服強問題。對

16、韌性好的材料，裂紋尖端的應(yīng)力集中一旦超過屈服強度，將會借微區(qū)塑性變形使尖端局部應(yīng)力松弛下來，增加裂紋度，將會借微區(qū)塑性變形使尖端局部應(yīng)力松弛下來，增加裂紋擴展阻力。擴展阻力。 裂紋擴展時裂紋擴展時彈性能彈性能的釋放除供給的釋放除供給表面能表面能增加外，增加外，供給供給塑性變形功塑性變形功。2 斷裂理論斷裂理論1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.4 聚合物的斷裂理論和理論強度3 3 微裂紋微裂紋 銀紋：銀紋：由于光線在微裂紋的表面上發(fā)生全反射，它在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。透明塑料中呈現(xiàn)為肉眼可見的明亮條紋。 材料表面或內(nèi)部垂

17、直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為100100 m m、寬度為寬度為10 10 m m左右、厚度約為左右、厚度約為1 1 m m的微細凹槽的現(xiàn)的微細凹槽的現(xiàn)象，由象，由張應(yīng)力張應(yīng)力產(chǎn)生局部的塑性形變和取向所致。產(chǎn)生局部的塑性形變和取向所致。是脆性材料拉伸中的微觀屈服現(xiàn)象。是脆性材料拉伸中的微觀屈服現(xiàn)象。 聚合物只有在聚合物只有在拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)力作用下才會產(chǎn)生銀紋，且銀紋作用下才會產(chǎn)生銀紋，且銀紋面（銀紋的兩個張開面，銀紋與本體的界面）總是垂直于面（銀紋的兩個張開面，銀紋與本體的界面）總是垂直于拉伸應(yīng)力；壓應(yīng)力不產(chǎn)生銀紋。拉伸應(yīng)力；壓應(yīng)力不產(chǎn)生銀紋。1010級高分子

18、物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件銀銀紋紋韌性的來源韌性的來源樂觀主義樂觀主義破壞的起點破壞的起點悲觀主義悲觀主義7.4 聚合物的斷裂理論和理論強度3 3 微裂紋微裂紋1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件銀銀紋紋的的擴擴展展中間分子中間分子鏈斷裂鏈斷裂擴展擴展形成裂紋形成裂紋1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件電子顯微鏡圖電子顯微鏡圖PS 銀紋(TEM)ABS 壓縮后銀紋現(xiàn)象及應(yīng)力變白7.4 聚合物的斷裂理論和理論強度3 3 微裂紋微裂紋1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件微纖平行與外力方向，微纖平行與外力方向，銀紋長度方向與外力垂直。銀紋長度

19、方向與外力垂直。1) 1) 銀紋的結(jié)構(gòu)銀紋的結(jié)構(gòu)FF微纖微纖F1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件整體銀紋銀紋微纖及分子鏈銀紋長度方向與外力垂直，微纖銀紋長度方向與外力垂直，微纖和分子鏈與外力方向平行，與銀和分子鏈與外力方向平行，與銀紋長度方向垂直。紋長度方向垂直。銀紋微觀示意圖1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件銀紋不空，含有伸長率銀紋不空，含有伸長率5060%的鏈的鏈銀紋中鏈的體積分?jǐn)?shù)為銀紋中鏈的體積分?jǐn)?shù)為4060%銀紋仍有模量，約為本體的銀紋仍有模量，約為本體的325%銀紋可導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力發(fā)白銀紋可導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力發(fā)白銀紋是可逆的，能通過退火消除銀紋是可逆的，能

20、通過退火消除銀紋：聚合物中因鏈伸展形成的空化區(qū)域銀紋：聚合物中因鏈伸展形成的空化區(qū)域銀紋平面銀紋厚度2）銀紋的特性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件3）銀紋的形成機理（過梅麗P229） 材料在材料在張應(yīng)力張應(yīng)力的作用下，局部薄弱處首先發(fā)生屈服和冷的作用下，局部薄弱處首先發(fā)生屈服和冷拉，使局部本體材料高度拉伸拉，使局部本體材料高度拉伸取向取向，由于周圍的本體材料的，由于周圍的本體材料的橫橫向收縮向收縮受到限制，結(jié)果在取向微纖鍵留下大量受到限制，結(jié)果在取向微纖鍵留下大量空穴?？昭?。局部薄弱局部薄弱點包括材料表面的缺陷或擦傷處、材料內(nèi)部的空穴或夾雜物邊點包括材料表面的缺陷或擦傷處、

21、材料內(nèi)部的空穴或夾雜物邊緣處。緣處。 每種材料在一定的環(huán)境條件下都存在一個產(chǎn)生銀紋每種材料在一定的環(huán)境條件下都存在一個產(chǎn)生銀紋的臨界值。銀紋的臨界應(yīng)力本質(zhì)是材料最薄弱區(qū)的的臨界值。銀紋的臨界應(yīng)力本質(zhì)是材料最薄弱區(qū)的屈服強度屈服強度。1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件銀紋的增長：平行于平面應(yīng)力場中較小的主應(yīng)力矢量；銀紋的增長：平行于平面應(yīng)力場中較小的主應(yīng)力矢量；銀紋的生長：是銀紋尖端向前擴展和銀紋寬度的增加；銀紋的生長：是銀紋尖端向前擴展和銀紋寬度的增加；銀紋的終止：銀紋和銀紋；銀紋和剪切帶；空穴和分銀紋的終止：銀紋和銀紋；銀紋和剪切帶；空穴和分 散相的橡膠粒子。散相的橡膠粒子

22、。1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物室溫下的臨界應(yīng)變與臨界應(yīng)力聚合物室溫下的臨界應(yīng)變與臨界應(yīng)力聚合物聚合物 c(%) c(MPa)tmax(h)E(MPa) y(MPa)Tg( C)PS0.3511.024303469.090PMMA1.3024.10.1293189.7100PPO1.5 39.324262069.0210PC1.8 42.124234462.1145韌性聚合物和脆性聚合物韌性聚合物和脆性聚合物1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件4）銀紋化的影響因素）銀紋化的影響因素聚合物的相對分子量聚合物的相對分子量 聚合物的交聯(lián)聚合物的交聯(lián) 結(jié)晶聚

23、合物結(jié)晶聚合物 低溫、高應(yīng)變速率、侵蝕性液體環(huán)境和低溫、高應(yīng)變速率、侵蝕性液體環(huán)境和導(dǎo)致應(yīng)變的應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)變的應(yīng)力 外因：外因：內(nèi)因：內(nèi)因：3 3 微裂紋微裂紋1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.4 聚合物的斷裂理論和理論強度3 3 微裂紋微裂紋分分類類溶劑銀紋溶劑銀紋熱應(yīng)力開裂熱應(yīng)力開裂銀紋銀紋（微裂紋）（微裂紋）不是空的，不是空的，銀紋體的密度為本體密度的銀紋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光指數(shù)，因此在銀紋，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上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光和本體之間的界面上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀

24、光閃閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白）；閃閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白）；加熱退火會使銀紋消加熱退火會使銀紋消失失 （可逆性）。（可逆性）。力學(xué)因素力學(xué)因素環(huán)境因素環(huán)境因素非溶劑非溶劑氧化應(yīng)力開裂氧化應(yīng)力開裂 應(yīng)力發(fā)白：應(yīng)力發(fā)白：橡橡膠增韌的塑料，在膠增韌的塑料，在拉伸或彎曲或沖擊拉伸或彎曲或沖擊時試樣有發(fā)白現(xiàn)象。時試樣有發(fā)白現(xiàn)象。1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件（1）溶劑的存在降低了材料的表面能，更容易產(chǎn)生新表面）溶劑的存在降低了材料的表面能，更容易產(chǎn)生新表面（2）有機溶劑溶脹了表面，降低了）有機溶劑溶脹了表面，降低了Tg，使銀紋可在低應(yīng)力，使銀紋可在低應(yīng)力與低應(yīng)變下生成與低應(yīng)變

25、下生成溶劑銀紋化溶劑銀紋化兩種機理兩種機理環(huán)境應(yīng)力開裂環(huán)境應(yīng)力開裂3 3 微裂紋微裂紋1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.4 聚合物的斷裂理論和理論強度4 4 聚合物的理論強度聚合物的理論強度聚合物材料的破壞是高分子主鏈的化學(xué)鍵斷裂或是聚合物材料的破壞是高分子主鏈的化學(xué)鍵斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。理論值理論值1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.4 聚合物的斷裂理論和理論強度4 4 聚合物的理論強度聚合物的理論強度 化學(xué)鍵破壞化學(xué)鍵破壞

26、 PE的理論強度的理論強度 由由PE晶胞計算得每晶胞計算得每cm2有有5 5* *10101414根分子鏈根分子鏈 (4 (4* *1010-4-4達因達因/ /鍵鍵) )* *(5(5* *10101414鍵鍵/cm/cm2 2) ) 2 2* *10105 5 kg/cm kg/cm2 2 PE PE 的實際強度的實際強度: 200: 200400 400 kg/cmkg/cm2 21 1達因達因(dyne)=10(dyne)=10-5-5N N1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.4 聚合物的斷裂理論和理論強度4 4 聚合物的理論強度聚合物的理論強度 分子間滑脫分子間滑

27、脫 分子鏈之間的次價力分子鏈之間的次價力(氫氫+范范)全部破壞全部破壞 一般一般 5A長度之間的次價力長度之間的次價力 約為約為20千焦千焦/摩爾摩爾 1000A長的分子鏈之間的次價力長的分子鏈之間的次價力 可達可達: 4000千焦千焦/摩爾摩爾11U11U 對于不存在氫鍵的情況其作用為對于不存在氫鍵的情況其作用為 3U 3U1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.4 聚合物的斷裂理論和理論強度4 4 聚合物的理論強度聚合物的理論強度 次價力破壞次價力破壞局部破壞局部破壞 氫鍵解離能氫鍵解離能 20 kJ/mol 作用距離作用距離 3A 破壞一個氫鍵約需作用力破壞一個氫鍵約需作

28、用力: 110-10牛頓牛頓/個個 范德化力解離能范德化力解離能 8 kJ/mol 作用距離作用距離 4A 破壞一個范德化力約需破壞一個范德化力約需: 310-11牛頓牛頓/個個 假定在假定在 25A2上有一個氫鍵和一個范德化力上有一個氫鍵和一個范德化力 理論強度理論強度: 氫鍵作用氫鍵作用 3103 kg/cm2 范德化力作用范德化力作用 1103 kg/cm2 與高度取向纖維的強度達到同一數(shù)量級與高度取向纖維的強度達到同一數(shù)量級 液晶聚芳酯纖維液晶聚芳酯纖維 1176 kg/cm21010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.4 聚合物的斷裂理論和理論強度4 4 聚合物的理論強度

29、聚合物的理論強度e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryeriment)100011001(exp1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.4 聚合物的斷裂理論和理論強度4 4 聚合物的理論強度聚合物的理論強度 高聚物破壞的過程高聚物破壞的過程 首先首先在未取向部分的次價力在未取向部分的次價力( (局部局部) ) 被破壞被破壞 然后然后由于應(yīng)力集中使分子主鏈由于應(yīng)力集中使分子主鏈( (局局 部部) )斷裂斷裂 最后最后繼續(xù)由于應(yīng)力集中使出現(xiàn)宏觀繼續(xù)由于應(yīng)力集中使出現(xiàn)宏觀 上的斷裂上的斷裂1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.5 7.5 影響

30、聚合物實際強度的因素影響聚合物實際強度的因素1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.5 影響聚合物實際強度的因素考考慮慮聚聚合合物物結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)因因素素極性基團或氫鍵極性基團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)支化支化、適度的交聯(lián)、適度的交聯(lián)結(jié)晶度大（結(jié)晶度大（太大會脆太大會脆）取向好取向好高高低低拉伸強度拉伸強度 t高高低低分子量高（超高）分子量高（超高）高高低低高高低低高高低低高高低低1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.5 影響聚合物實際強度的因素 高聚物分子結(jié)構(gòu)的影響高聚物分子結(jié)構(gòu)的影響 * * 增加分子鏈間的作用力可提高拉伸強度增加分子鏈間的作用力

31、可提高拉伸強度 * * 引入極性基團和形成氫鍵的基團引入極性基團和形成氫鍵的基團 聚酰胺聚酰胺(氫鍵氫鍵) 聚氯乙烯聚氯乙烯(極性基團極性基團)聚異丁烯聚異丁烯 * * 剛性鏈的結(jié)構(gòu)因素使剛性鏈的結(jié)構(gòu)因素使和和 E E 均均 1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.5 影響聚合物實際強度的因素 結(jié)晶、取向和交聯(lián)結(jié)晶、取向和交聯(lián) 結(jié)晶使分子間排列緊密結(jié)晶使分子間排列緊密 分子間作用力分子間作用力 取向取向分子鏈協(xié)同作用分子鏈協(xié)同作用 適度交聯(lián)使分子間作用力適度交聯(lián)使分子間作用力 過度交聯(lián)將使材料變脆弱過度交聯(lián)將使材料變脆弱1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.5

32、 影響聚合物實際強度的因素 分子量的影響 分子量超過一定數(shù)值以后，分子量超過一定數(shù)值以后，拉伸強度變化不大，沖擊強拉伸強度變化不大，沖擊強度繼續(xù)增大。度繼續(xù)增大。 極性聚合物極性聚合物(PA等等) 分子量應(yīng)達分子量應(yīng)達 20000或以上或以上 非極性聚合物非極性聚合物(PE等等) 分子量應(yīng)達分子量應(yīng)達 50000或以上或以上1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.5 影響聚合物實際強度的因素其其他他影影響響因因素素極性基團或氫鍵極性基團或氫鍵增塑劑增塑劑填料（活性、惰性）填料（活性、惰性）共聚、共混共聚、共混降低溫度（拉伸沖擊）降低溫度（拉伸沖擊）高高低低拉伸強度拉伸強度 t高

33、高低低提高拉伸速度提高拉伸速度高高低低高高低低高高低低高高低低缺陷存在缺陷存在高高低低1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.5 影響聚合物實際強度的因素 共聚和共混共聚和共混是改善力學(xué)性能的重要手段共聚和共混是改善力學(xué)性能的重要手段 脆性聚合物脆性聚合物 + 韌性聚合物韌性聚合物 兩相體系兩相體系 PS共混共混HIPS(HIPS(高抗沖聚苯乙烯高抗沖聚苯乙烯) ) PSPS三元共聚三元共聚ABSABS1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.5 影響聚合物實際強度的因素 增塑劑和填充料增塑劑加入使分子間作用增塑劑加入使分子間作用 惰性填料惰性填料(CaCO3等等

34、)降低成本降低成本填料填料 活性填料活性填料(碳黑等碳黑等) 增強作用增強作用 功能性填料功能性填料賦于高聚物某些特殊的功能賦于高聚物某些特殊的功能 阻燃性阻燃性: Mg(OH): Mg(OH)2 2 ;Al(OH) ;Al(OH)3 3 等等 減摩潤滑性減摩潤滑性: : 石墨石墨; ;二硫化鉬等二硫化鉬等 導(dǎo)電性導(dǎo)電性: : 導(dǎo)電碳黑導(dǎo)電碳黑 , ,金屬粉等金屬粉等 磁性磁性: : 鐵氧體鐵氧體, ,稀土類元素稀土類元素 隔音性隔音性: : 高密度金屬粉高密度金屬粉 壓電性壓電性: : 鈦酸鋯鈦酸鉛等鈦酸鋯鈦酸鉛等 1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.5 影響聚合物實際強

35、度的因素 應(yīng)力集中1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件7.5 影響聚合物實際強度的因素 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: 速度速度屈屈服強度服強度 提高提高( (降低降低) )拉伸速率拉伸速率 降低降低( (升高升高) )拉伸溫度拉伸溫度1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的增強聚合物的增強1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件纖維種類：纖維種類： 棉、麻、絲及其織物；棉、麻、絲及其織物； 玻璃纖維；玻璃纖維； 碳纖維、石墨纖維、硼纖維、超細金屬纖維和單晶碳纖維、石墨纖維、硼纖維、超細金屬纖維和單晶纖維即晶須。纖維即

36、晶須。纖維增強纖維增強聚合物的增強聚合物的增強1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的增強聚合物的增強1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的增強聚合物的增強1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的增強聚合物的增強1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件 橡膠輪胎橡膠輪胎 玻璃纖維層壓塑料玻璃纖維層壓塑料 環(huán)氧玻璃鋼的比強度甚至超過了高級合金鋼。用玻璃環(huán)氧玻璃鋼的比強度甚至超過了高級合金鋼。用玻璃短纖維增強的熱塑性塑料，其拉伸、抗壓、抗彎強度和硬短纖維增強的熱塑性塑料，其拉伸、抗壓、抗彎強度和硬度一般可提高度一般可提高10

37、0-300，但沖擊強度一般提高不多甚，但沖擊強度一般提高不多甚至可能降低。至可能降低。 液晶聚合物與熱塑性塑料共混制備高性能復(fù)合材料的新途液晶聚合物與熱塑性塑料共混制備高性能復(fù)合材料的新途徑徑 纖維增強實例纖維增強實例聚合物的增強聚合物的增強1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的增強聚合物的增強1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件粉狀補強機理與補強效果粉狀補強機理與補強效果 活性填料的作用，如對橡膠的補強，可用填料的表面效應(yīng)來解釋活性填料的作用，如對橡膠的補強，可用填料的表面效應(yīng)來解釋 ； 填料增強的效果受到粒子和分子鏈間結(jié)合的牢固程度所制約。填料增強的效

38、果受到粒子和分子鏈間結(jié)合的牢固程度所制約。 粉狀填料增強：粉狀填料增強： 如木粉、炭黑、輕質(zhì)二氧化硅、碳酸鎂、氧化鋅等如木粉、炭黑、輕質(zhì)二氧化硅、碳酸鎂、氧化鋅等 例如，天然橡膠中添加例如，天然橡膠中添加20的膠體炭黑，拉伸強度可以從的膠體炭黑，拉伸強度可以從16MPa提高到提高到20MPa聚合物的增強聚合物的增強1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件玻璃纖維增強的復(fù)合材料玻璃纖維增強的復(fù)合材料（玻璃鋼）（玻璃鋼）Carbon fiber聚合物的增強聚合物的增強1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件Fiber-wrapped bottle聚合物的增強聚合物的增強Bo

39、ss thin linerCFRP Structure 1Inter pressureLow-temperature liquidCFRPstructure2Heat insulation structure1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件Self-recovering of human bodycrackMicrocapsuleSelf-healing process( University of Illinois USA)Self healing Composite pressure vessel Microcapsule 聚合物的增強聚合物的增強1010級高分子物理多

40、媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的增強聚合物的增強莫急羅，摸點麻油就沒時搭！莫急羅，摸點麻油就沒時搭！1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件PVC bag-PVC bag-橡膠增韌橡膠增韌聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件冰冰 箱箱Polystyrene高抗沖聚苯乙烯高抗沖聚苯乙

41、烯HIPS,用丁二烯增韌用丁二烯增韌聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件Car bumperCar bumper汽車保險杠聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性參賽皮艇雪板、雪橇1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件2. 影響因素聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件增加高分子的極性或產(chǎn)生氫鍵，則沖擊強度減小增加高分子的極性或產(chǎn)生氫鍵，則沖擊強度減小分子鏈支化程度增加，沖擊強度可能提高分子鏈支化程度增加，沖擊強度可能提高適度交聯(lián)后，拉伸和沖擊強度均可提高適度交聯(lián)后，拉伸和沖擊強度均可提高聚合物

42、的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件大的球晶，聚合物的沖擊強度就要顯著地下降。大的球晶，聚合物的沖擊強度就要顯著地下降。聚合物的結(jié)晶度增高，沖擊強度下降聚合物的結(jié)晶度增高，沖擊強度下降聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件適當(dāng)?shù)碾p軸取向的聚合物，沖擊強度提高適當(dāng)?shù)碾p軸取向的聚合物，沖擊強度提高聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物

43、理多媒體課件級高分子物理多媒體課件聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件塑料增韌方法塑料增韌方法1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件1. 橡膠或彈性體增韌橡膠或彈性體增韌1）橡膠或彈性體品種；）橡膠或彈性體品種；2）彈性體含量；）彈性體含量；3）彈性體粒徑；）彈性體粒徑；4）基體韌性。）基體韌性。2. 非彈性體增韌塑料非彈性體增韌塑料1）有機剛性粒子；）有機剛性粒子；2）無機剛性粒子；）無機剛性粒子；塑料增韌方法塑料增韌方法1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件塑料增韌方法塑料增韌方法1010級高分子物理多媒體課件級高

44、分子物理多媒體課件塑料增韌方法塑料增韌方法1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件塑料增韌方法塑料增韌方法1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件塑料增韌方法塑料增韌方法1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件塑料增韌方法塑料增韌方法1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件塑料增韌方法塑料增韌方法1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件(1) 使用溫度必須高于橡膠的玻璃化溫度使用溫度必須高于橡膠的玻璃化溫度(2) 橡膠與塑料的溶度參數(shù)接近但有一定差距，橡膠必須構(gòu)成橡膠與塑料的溶度參數(shù)接近但有一定差距，橡膠必須構(gòu)成另一相，不能與塑料互溶，但要與塑料有一定粘合性另一相，不能與塑料互溶，但要與塑料有一定粘合性(3) 橡膠粒子應(yīng)處于最佳粒度橡膠粒子應(yīng)處于最佳粒度(4) 橡膠粒子要達到一定用量橡膠粒子要達到一定用量增韌的條件：增韌的條件：塑料增韌方法塑料增韌方法1010級高分子物理多媒體課件級高分子物理多媒體課件對于不同性質(zhì)的基體，銀紋和剪切帶比例不同。對于不同性質(zhì)的基體，銀紋和