高聚物的斷裂和力學(xué)強(qiáng)度

關(guān)于高聚物的斷裂和力學(xué)強(qiáng)度第1頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

本章一方面介紹描述高分子材料宏觀力學(xué)強(qiáng)度的物理量和演化規(guī)律；另一方面從分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)探討影響高分子材料力學(xué)強(qiáng)度的因素，為研制設(shè)計(jì)性能更佳的材料提供理論指導(dǎo)。

為了評(píng)價(jià)高分子材料使用價(jià)值，揚(yáng)長(zhǎng)避短地利用、控制其強(qiáng)度和破壞規(guī)律，進(jìn)而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高分子材料力學(xué)強(qiáng)度變化的宏觀規(guī)律和微觀機(jī)理。

鑒于高分子材料力學(xué)狀態(tài)的復(fù)雜性，以及力學(xué)狀態(tài)與外部環(huán)境條件密切相關(guān)，高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度和破壞形式也必然與材料的使用環(huán)境和使用條件有關(guān)。第2頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六一、高分子材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)及其類(lèi)型影響拉伸行為的外部因素強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸”二、高分子材料的斷裂和強(qiáng)度宏觀斷裂方式，脆性斷裂和韌性斷裂斷裂過(guò)程，斷裂的分子理論高分子材料的強(qiáng)度高分子材料的增強(qiáng)改性三、高分子材料的抗沖擊強(qiáng)度和增韌改性抗沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)影響抗沖擊強(qiáng)度的因素高分子材料的增韌改性第3頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六一、高分子材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性

（一）應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)及其類(lèi)型

啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣

常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖所示，試樣中部為測(cè)試部分，標(biāo)距長(zhǎng)度為l0，初始截面積為A0。

研究材料強(qiáng)度和破壞的重要實(shí)驗(yàn)手段是測(cè)量材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性。將材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，以規(guī)定的速度均勻拉伸，測(cè)量試樣上的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，直到試樣破壞。第4頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

設(shè)以一定的力F拉伸試樣，使兩標(biāo)距間的長(zhǎng)度從增至，定義試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)椋?/p>

注意此處定義的應(yīng)力σ等于拉力除以試樣原始截面積A0，這種應(yīng)力稱(chēng)工程應(yīng)力或公稱(chēng)應(yīng)力，并不等于材料所受的真實(shí)應(yīng)力。同樣這兒定義的應(yīng)變?yōu)楣こ虘?yīng)變。應(yīng)力應(yīng)變第5頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

曲線(xiàn)特征：（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力－應(yīng)變呈直線(xiàn)關(guān)系變化，直線(xiàn)斜率相當(dāng)于材料彈性模量。

第6頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（2）越過(guò)A點(diǎn)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)偏離直線(xiàn)，說(shuō)明材料開(kāi)始發(fā)生塑性形變，極大值Y點(diǎn)稱(chēng)材料的屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱(chēng)屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度）和屈服應(yīng)變。發(fā)生屈服時(shí)，試樣上某一局部會(huì)出現(xiàn)“細(xì)頸”現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降，發(fā)生“屈服軟化”。

（3）隨著應(yīng)變?cè)黾?，在很長(zhǎng)一個(gè)范圍內(nèi)曲線(xiàn)基本平坦，“細(xì)頸”區(qū)越來(lái)越大。直到拉伸應(yīng)變很大時(shí)，材料應(yīng)力又略有上升（成頸硬化），到達(dá)B點(diǎn)發(fā)生斷裂。與B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱(chēng)材料的拉伸強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度）和斷裂伸長(zhǎng)率，它們是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限伸長(zhǎng)率。

（4）曲線(xiàn)下的面積等于相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，單位為J?m-3，稱(chēng)斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個(gè)物理量。

第7頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

由于高分子材料種類(lèi)繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)具有多種形狀。歸納起來(lái)，可分為五類(lèi)。高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的類(lèi)型曲線(xiàn)的類(lèi)型（1）硬而脆型（2）硬而強(qiáng)型（3）硬而韌型（4）軟而韌型（5）軟而弱型

第8頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（3）硬而韌型此類(lèi)材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強(qiáng)度都很高，斷裂伸長(zhǎng)率也很大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)下的面積很大，說(shuō)明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。（1）硬而脆型此類(lèi)材料彈性模量高（OA段斜率大）而斷裂伸長(zhǎng)率很小。在很小應(yīng)變下，材料尚未出現(xiàn)屈服已經(jīng)斷裂，斷裂強(qiáng)度較高。在室溫或室溫之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛樹(shù)脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。（2）硬而強(qiáng)型此類(lèi)材料彈性模量高，斷裂強(qiáng)度高，斷裂伸長(zhǎng)率小。通常材料拉伸到屈服點(diǎn)附近就發(fā)生破壞（大約為5%）。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類(lèi)型。說(shuō)明第9頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（5）軟而弱型

此類(lèi)材料彈性模量低，斷裂強(qiáng)度低，斷裂伸長(zhǎng)率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。（4）軟而韌型此類(lèi)材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長(zhǎng)率大（20%～1000%），斷裂強(qiáng)度可能較高，應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)下的面積大。各種橡膠制品和增塑聚氯乙烯具有這種應(yīng)力－應(yīng)變特征。

硬而韌的材料，在拉伸過(guò)程中顯示出明顯的屈服、冷拉或細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測(cè)試區(qū)都變成細(xì)頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維素、硝酸纖維素等屬于這種材料。第10頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六注意

材料拉伸過(guò)程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測(cè)試條件（如拉伸速率）的影響，硬而強(qiáng)型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也會(huì)發(fā)生大于100%的斷裂伸長(zhǎng)率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點(diǎn)。

實(shí)際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典型性，或是幾種類(lèi)型的組合。例如有的材料拉伸時(shí)存在明顯的屈服和“頸縮”，有的則沒(méi)有；有的材料斷裂強(qiáng)度高于屈服強(qiáng)度，有的則屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度等。因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。第11頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（二）

影響拉伸行為的外部因素1、溫度的影響聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）

環(huán)境溫度對(duì)高分子材料拉伸行為的影響十分顯著。溫度升高，分子鏈段熱運(yùn)動(dòng)加劇，松弛過(guò)程加快，表現(xiàn)出材料模量和強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率變大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)形狀發(fā)生很大變化。

第12頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)虛線(xiàn)——高拉伸速率實(shí)線(xiàn)——低拉伸速率

材料的拉伸斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化，屈服強(qiáng)度受溫度變化的影響更大些。

在溫度升高過(guò)程中，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。兩曲線(xiàn)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)脆-韌轉(zhuǎn)變溫度。

當(dāng)環(huán)境溫度小于時(shí)，材料的＜，受外力作用時(shí)，材料未屈服前先已斷裂，呈脆性斷裂特征。

環(huán)境溫度高于時(shí)，＞，受外力作用時(shí)，材料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。

第13頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六2、拉伸速率的影響

減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對(duì)材料拉伸行為有相似的影響，這是時(shí)-溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。

斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢(shì)實(shí)線(xiàn)——低環(huán)境溫度虛線(xiàn)——高環(huán)境溫度

與脆-韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線(xiàn)交點(diǎn)，可以定義脆-韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率。拉伸速率高于時(shí)，材料呈脆性斷裂特征；低于時(shí)，呈韌性斷裂特征。

拉伸速率對(duì)材料的斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也有明顯影響

。第14頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六3、環(huán)境壓力的影響聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)隨環(huán)境壓力的變化（T=31℃）

右圖可見(jiàn)，PS在低環(huán)境壓力（常壓）下呈脆性斷裂特點(diǎn)，強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料強(qiáng)度增高，伸長(zhǎng)率變大，出現(xiàn)典型屈服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)許多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆-韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。第15頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

這兩種不同的脆-韌轉(zhuǎn)變方式給我們以啟發(fā)，告訴我們材料增韌改性并非一定要以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)。設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)姆椒?，就有可能在增韌的同時(shí)，保持或提高材料的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)既增韌又增強(qiáng)。塑料的非彈性體增韌改性技術(shù)就是由此發(fā)展起來(lái)的。

比較圖可以發(fā)現(xiàn)，升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境壓力都能使高分子材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。但兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式有很大差別。兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式

升高溫度使材料變韌，但其拉伸強(qiáng)度明顯下降。升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時(shí)，強(qiáng)度也得到提高，材料變得強(qiáng)而韌。第16頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（三）

強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸”

已知環(huán)境對(duì)高分子材料拉伸行為有顯著影響，這兒再重點(diǎn)介紹在特殊環(huán)境條件下，高分子材料的兩種特殊拉伸行為。

1、非晶聚合物的強(qiáng)迫高彈形變

聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）

研究高聚物拉伸破壞行為時(shí)，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情形。對(duì)于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度小于時(shí)，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形（參見(jiàn)圖中T=80℃，60℃的情形），這種變形稱(chēng)強(qiáng)迫高彈形變。

第17頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（2）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來(lái)卷曲的分子鏈段被強(qiáng)迫發(fā)生運(yùn)動(dòng)、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強(qiáng)迫高彈形變?cè)谕饬Τ废?，通過(guò)適當(dāng)升溫（＞）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。

（1）這種現(xiàn)象既不同于高彈態(tài)下的高彈形變，也不同于粘流態(tài)下的粘性流動(dòng)。這是一種獨(dú)特的力學(xué)行為。（3）強(qiáng)迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說(shuō)明提高應(yīng)力可以促進(jìn)分子鏈段在作用力方向上的運(yùn)動(dòng)，如同升高溫度一樣，起到某種“活化”作用。從鏈段的松弛運(yùn)動(dòng)來(lái)講，提高應(yīng)力降低了鏈段在作用力方向上的運(yùn)動(dòng)活化能，減少了鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過(guò)勢(shì)壘而運(yùn)動(dòng)。

討論第18頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六2、晶態(tài)聚合物的“冷拉伸”結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形，這種形變稱(chēng)“冷拉伸”。結(jié)晶聚合物具有與非晶聚合物相似的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)。

圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔點(diǎn)時(shí)（<），雖然晶區(qū)尚未熔融，材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見(jiàn)圖中曲線(xiàn)3、4、5。這種現(xiàn)象稱(chēng)“冷拉伸”。

第19頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（1）發(fā)生冷拉之前，材料有明顯的屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)為試樣測(cè)試區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一處或幾處“頸縮”。隨著冷拉的進(jìn)行，細(xì)頸部分不斷發(fā)展，形變量不斷增大，而應(yīng)力幾乎保持不變，直到整個(gè)試樣測(cè)試區(qū)全部變細(xì)。再繼續(xù)拉伸，應(yīng)力將上升（應(yīng)變硬化），直至斷裂。

討論（2）結(jié)晶聚合物從遠(yuǎn)低于玻璃化溫度直到熔點(diǎn)附近一個(gè)很大溫區(qū)內(nèi)都能發(fā)生冷拉伸。在微觀上，冷拉伸是應(yīng)力作用使原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，球晶、片晶被拉開(kāi)分裂成更小的結(jié)晶單元，分子鏈從晶體中被拉出、伸直，沿著拉伸方向排列形成的。

球晶拉伸形變時(shí)內(nèi)部晶片變化示意圖

第20頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六片晶受拉伸形變時(shí)內(nèi)部晶片發(fā)生位錯(cuò)、轉(zhuǎn)向、定向排列、拉伸示意圖

第21頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（4）環(huán)境溫度、拉伸速率、分子量都對(duì)冷拉有明顯影響。溫度過(guò)低或拉伸速率過(guò)高，分子鏈松弛運(yùn)動(dòng)不充分，會(huì)造成應(yīng)力集中，使材料過(guò)早破壞。溫度過(guò)高或拉伸速率過(guò)低，分子鏈可能發(fā)生滑移而流動(dòng)，造成斷裂。分子量較低的聚合物，分子鏈短，不能夠充分拉伸、取向以達(dá)到防止材料破壞的程度，也會(huì)使材料在屈服點(diǎn)后不久就發(fā)生破壞。

（3）實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變和冷拉必須有一定條件。關(guān)鍵有兩點(diǎn)，一是材料屈服后應(yīng)表現(xiàn)出軟化效應(yīng)；二是擴(kuò)大應(yīng)變時(shí)應(yīng)表現(xiàn)出材料硬化效應(yīng)，軟、硬恰當(dāng)，才能實(shí)現(xiàn)大變形和冷拉。第22頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六二、高分子材料的斷裂和強(qiáng)度（一）

宏觀斷裂方式，脆性斷裂和韌性斷裂

從材料的承載方式來(lái)分，高分子材料的宏觀破壞可分為快速斷裂、蠕變斷裂（靜態(tài)疲勞）、疲勞斷裂（動(dòng)態(tài)疲勞）、磨損斷裂及環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂等多種形式。

從斷裂的性質(zhì)來(lái)分，高分子材料的宏觀斷裂可分為脆性斷裂和韌性斷裂兩大類(lèi)。發(fā)生脆性斷裂時(shí)，斷裂表面較光滑或略有粗糙，斷裂面垂直于主拉伸方向，試樣斷裂后，殘余形變很小。韌性斷裂時(shí)，斷裂面與主拉伸方向多成45度角，斷裂表面粗糙，有明顯的屈服（塑性變形、流動(dòng)等）痕跡，形變不能立即恢復(fù)。

第23頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六脆性斷裂和韌性斷裂表面

PS試樣脆性斷裂表面的電鏡照片

增韌改性PVC韌性斷裂表面的電鏡照片

第24頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六拉伸試樣內(nèi)斜截面上的應(yīng)力分布條形試樣中的應(yīng)力分析

設(shè)試樣橫截面積為A0，作用于其上的拉力為F，可以求得在試樣內(nèi)部任一斜截面上的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力:

第25頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六注意

在不同角度的斜截面上，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力值不同。由公式得知，在斜角θ=0o的截面上（橫截面），法向應(yīng)力的值最大；在θ=45o的截面上，切向應(yīng)力值最大。

法向應(yīng)力與切向應(yīng)力隨角度的變化第26頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

本質(zhì)上，法向應(yīng)力與材料的抗拉伸能力有關(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）。因此材料在作用下發(fā)生破壞時(shí)，往往伴隨主鏈的斷裂。

切向應(yīng)力與材料的抗剪切能力相關(guān)，極限值主要取決于分子間內(nèi)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。

垂直應(yīng)力下的分子鏈斷裂（a）和剪切應(yīng)力下的分子鏈滑移（b）第27頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

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)。

已知不同的高分子材料本征地具有不同的抗拉伸和抗剪切能力。定義材料的最大抗拉伸能力為臨界抗拉伸強(qiáng)度；最大抗剪切能力為臨界抗剪切強(qiáng)度。

若材料的＜，則在外應(yīng)力作用下，往往材料的抗拉伸能力首先支持不住，而抗剪切能力尚能堅(jiān)持，此時(shí)材料破壞主要表現(xiàn)為以主鏈斷裂為特征的脆性斷裂，斷面垂直于拉伸方向（θ=0o），斷面光滑。

若材料的＜，應(yīng)力作用下材料的抗剪切能力首先破壞，抗拉伸能力尚能堅(jiān)持，則往往首先發(fā)生屈服，分子鏈段相對(duì)滑移，沿剪切方向取向，繼之發(fā)生的斷裂為韌性斷裂，斷面粗糙，通常與拉伸方向的夾角θ=45o。

兩種情形第28頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

表7-1

幾種典型高分子材料在室溫下、的值

(T=23℃)聚合物/MPa/MPaPSSANPMMAPVCPCPESPEEK40567467878012048734939405662

可以根據(jù)材料的本征強(qiáng)度對(duì)材料的脆、韌性規(guī)定一個(gè)判據(jù)：

凡＜的，發(fā)生破壞時(shí)首先為脆性斷裂的材料為脆性材料；

凡＜的，容易發(fā)生韌性屈服的材料為韌性材料。

第29頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（二）

斷裂過(guò)程，斷裂的分子理論高分子材料斷裂過(guò)程：

裂紋引發(fā)（成核）

裂紋擴(kuò)展

在外應(yīng)力作用下材料發(fā)生形變后，微觀分子鏈范圍內(nèi)會(huì)引起各種響應(yīng)。這些響應(yīng)包括：

無(wú)規(guī)線(xiàn)團(tuán)分子鏈沿應(yīng)力方向展開(kāi)或取向；半伸展分子鏈完全伸直，并承受彈性應(yīng)力；分子間次價(jià)鍵斷裂，造成局部分子鏈段滑移或流動(dòng)等。

由于材料內(nèi)部存在微晶，或化學(xué)交聯(lián)，或物理纏結(jié)等制約結(jié)構(gòu)，有些分子鏈運(yùn)動(dòng)受阻，從而使個(gè)別分子鏈段處于高應(yīng)力狀態(tài)。這些處于高度伸直狀態(tài)的分子鏈在應(yīng)力漲落和熱運(yùn)動(dòng)漲落綜合作用下，會(huì)首先發(fā)生斷裂。第30頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六Zhurkov提出的力化學(xué)反應(yīng)模型1，某分子鏈處于高應(yīng)力狀態(tài)2，鏈斷裂，形成鏈端自由基3，自由基反應(yīng)，形成主鏈自由基4，帶自由基的主鏈斷裂，繼續(xù)反應(yīng)5，多次重復(fù)，形成一個(gè)亞微觀裂紋○—鏈端自由基；╳—主鏈自由基；●—穩(wěn)定的端基

第31頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

主鏈斷裂的結(jié)果使應(yīng)力重新分布，有兩種可能：

一種可能使應(yīng)力分布趨于均勻，斷裂過(guò)程結(jié)束；

另一種可能使應(yīng)力分布更加不均勻，分子鏈斷裂過(guò)程加速，發(fā)展成微裂紋（微空穴）。繼續(xù)承受應(yīng)力，微空穴合并，發(fā)展成大裂縫或缺陷。待到裂縫擴(kuò)展到整個(gè)試樣就發(fā)生宏觀破裂。

由此可見(jiàn)在斷裂的全過(guò)程中（包括裂紋引發(fā)和裂紋擴(kuò)展），分子鏈的斷裂都起關(guān)鍵作用。第32頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（三）

高分子材料的強(qiáng)度1、理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度

對(duì)碳鏈聚合物，每鍵的鍵能為5~610－19J。這些能量可近似看作為克服成鍵的原子引力，將兩個(gè)C原子分離到鍵長(zhǎng)的距離所做的功。C－C鍵長(zhǎng)，由此算出一個(gè)共價(jià)鍵力為

由X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)材料的晶胞參數(shù)，可求得大分子鏈橫截面積。如求得聚乙烯分子鏈橫截面為

，由此得到高分子材料的理論強(qiáng)度為：

理論強(qiáng)度是人們從化學(xué)結(jié)構(gòu)可能期望的材料極限強(qiáng)度，由于高分子材料的破壞是由化學(xué)鍵斷裂引起的，因此可從拉斷化學(xué)鍵所需作的功計(jì)算其理論強(qiáng)度。第33頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

實(shí)驗(yàn)觀察到在玻璃態(tài)聚合物中存在大量尺寸在100nm的孔穴，聚合物生產(chǎn)和加工過(guò)程中又難免引入許多雜質(zhì)和缺陷。在材料使用過(guò)程中，由于孔穴的應(yīng)力集中效應(yīng)，有可能使孔穴附近分子鏈承受的應(yīng)力超過(guò)實(shí)際材料所受的平均應(yīng)力幾十倍或幾百倍，以至達(dá)到材料的理論強(qiáng)度，使材料在這些區(qū)域首先破壞，繼而擴(kuò)展到材料整體。

實(shí)際上高分子材料的強(qiáng)度比理論強(qiáng)度小得多，僅為幾個(gè)到幾十個(gè)MPa。

為什么實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度差別如此之大？研究表明，材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的不均勻和缺陷是導(dǎo)致強(qiáng)度下降的主要原因。實(shí)際高分子材料中總是存在這樣那樣的缺陷，如表面劃痕、雜質(zhì)、微孔、晶界及微裂縫等，這些缺陷尺寸很小但危害很大。第34頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六鏈末端

鏈纏結(jié)

可能導(dǎo)致聚合物強(qiáng)度下降的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)示意圖次價(jià)鍵

交聯(lián)點(diǎn)

片晶內(nèi)缺陷分離的異物

微空洞

填料粒子（相容性差）

結(jié)晶區(qū)域

層間區(qū)（無(wú)定型區(qū)）微區(qū)邊界第35頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六2、影響斷裂強(qiáng)度的因素（1）分子量的影響

分子量是對(duì)高分子材料力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈性、韌性）起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。低分子有機(jī)化合物一般沒(méi)有力學(xué)強(qiáng)度（多為液體），高分子材料要獲得強(qiáng)度，必須具有一定聚合度，使分子間作用力足夠大才行。

不同聚合物，要求的最小聚合度不同。如分子間有氫鍵作用的聚酰胺類(lèi)約為40個(gè)鏈節(jié)；聚苯乙烯約80個(gè)鏈節(jié)。第36頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

超過(guò)最小聚合度，隨分子量增大，材料強(qiáng)度逐步增大。但當(dāng)分子量相當(dāng)大，致使分子間作用力的總和超過(guò)了化學(xué)鍵能時(shí)，材料強(qiáng)度主要取決于化學(xué)鍵能的大小，這時(shí)材料強(qiáng)度不再依賴(lài)分子量而變化。聚苯乙烯和聚碳酸酯的拉伸強(qiáng)度與分子量的關(guān)系

另外，分子量分布對(duì)材料強(qiáng)度的影響不大。第37頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（2）結(jié)晶的影響聚乙烯的斷裂性能與結(jié)晶度的關(guān)系結(jié)晶度

/％65758595斷裂強(qiáng)度

/14.4182540斷裂伸長(zhǎng)率

/％50030010020

結(jié)晶對(duì)高分子材料力學(xué)性能的影響也十分顯著，主要影響因素有結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)。

一般影響規(guī)律是：

1）隨著結(jié)晶度上升，材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、硬度、彈性模量均提高，但斷裂伸長(zhǎng)率和韌性下降。這是由于結(jié)晶使分子鏈排列緊密有序，孔隙率低，分子間作用增強(qiáng)所致。第38頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六3）晶體形態(tài)對(duì)聚合物拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律是，同一聚合物，伸直鏈晶體的拉伸強(qiáng)度最大，串晶次之，球晶最小。

2）晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)材料強(qiáng)度的影響更大。均勻小球晶能使材料的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長(zhǎng)和韌性下降。

大量的均勻小球晶分布在材料內(nèi)，起到類(lèi)似交聯(lián)點(diǎn)作用，使材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)由軟而弱型轉(zhuǎn)為軟而韌型，甚至轉(zhuǎn)為有屈服的硬而韌型。因此改變結(jié)晶歷史，如采用淬火，或添加成核劑，如在聚丙烯中添加草酸酞作為晶種，都有利于均勻小球晶生成，從而可以提高材料強(qiáng)度和韌性。影響規(guī)律第39頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六聚丙烯應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)與球晶尺寸的關(guān)系聚丙烯拉伸性能與球晶尺寸的關(guān)系球晶尺寸

/拉伸強(qiáng)度

/MPa斷裂伸長(zhǎng)率

/％1030.050010022.52520012.525第40頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（3）交聯(lián)的影響

隨交聯(lián)程度提高，橡膠材料的拉伸模量和強(qiáng)度都大大提高，達(dá)到極值強(qiáng)度后，又趨于下降；斷裂伸長(zhǎng)率則連續(xù)下降。熱固性樹(shù)脂，由于分子量很低，如果不進(jìn)行交聯(lián)，幾乎沒(méi)有強(qiáng)度（液態(tài)）。固化以后，分子間形成密集的化學(xué)交聯(lián)，使斷裂強(qiáng)度大幅度提高。

交聯(lián)一方面可以提高材料的抗蠕變能力，另一方面也能提高斷裂強(qiáng)度。一般認(rèn)為，對(duì)于玻璃態(tài)聚合物，交聯(lián)對(duì)脆性強(qiáng)度的影響不大；但對(duì)高彈態(tài)材料的強(qiáng)度影響很大。橡膠的拉伸強(qiáng)度與交聯(lián)劑用量的關(guān)系第41頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（4）取向的影響

對(duì)于脆性材料，取向使材料在平行于取向方向的強(qiáng)度、模量和伸長(zhǎng)率提高，甚至出現(xiàn)脆-韌轉(zhuǎn)變，而在垂直于取向方向的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率降低。

加工過(guò)程中分子鏈沿一定方向取向，使材料力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，在取向方向得到增強(qiáng)。

對(duì)于延性、易結(jié)晶材料，在平行于取向方向的強(qiáng)度、模量提高，在垂直于取向方向的強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率增大。第42頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（5）溫度與形變速率的影響

具體影響效果見(jiàn)圖。由圖可見(jiàn)，溫度對(duì)斷裂強(qiáng)度影響較小，而對(duì)屈服強(qiáng)度影響較大，溫度升高，材料屈服強(qiáng)度明顯降低。按照時(shí)-溫等效原則，形變速率對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響也較明顯。拉伸速率提高，屈服強(qiáng)度上升。當(dāng)屈服強(qiáng)度大到超過(guò)斷裂強(qiáng)度時(shí)，材料受力后，尚未屈服已先行斷裂，呈現(xiàn)脆性斷裂特征。

因此評(píng)價(jià)高分子材料的脆、韌性質(zhì)是有條件的，一個(gè)原本在高溫下、低拉伸速率時(shí)的韌性材料，處于低溫或用高速率拉伸時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)脆性破壞。所以就材料增韌改性而言，提高材料的低溫韌性是十分重要的。第43頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（四）

高分子材料的增強(qiáng)改性

除增強(qiáng)材料本身應(yīng)具有較高力學(xué)強(qiáng)度外，增強(qiáng)材料的均勻分散、取向以及增強(qiáng)材料與聚合物基體的良好界面親和也是提高增強(qiáng)改性效果的重要措施。

由于高分子材料的實(shí)際力學(xué)強(qiáng)度、模量比金屬、陶瓷低得多，應(yīng)用受到限制，因而高分子材料的增強(qiáng)改性十分重要。

改性的基本思想是用填充、混合、復(fù)合等方法，將增強(qiáng)材料加入到聚合物基體中，提高材料的力學(xué)強(qiáng)度或其它性能。

常用的增強(qiáng)材料有粉狀填料（零維材料），纖維（一維材料），片狀填料（二維材料）等。第44頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六1、粉狀填料增強(qiáng)

由于在高分子材料中加入填料等于加入雜質(zhì)和缺陷，有引發(fā)裂紋和加速破壞的副作用，因此對(duì)填料表面進(jìn)行恰當(dāng)處理，加強(qiáng)它與高分子基體的親合性，同時(shí)防止填料結(jié)團(tuán)，促進(jìn)填料均勻分散，始終是粉狀填料增強(qiáng)改性中人們關(guān)心的焦點(diǎn)。這些除與填料本身性質(zhì)有關(guān)外，改性工藝、條件、設(shè)備等也都起重要作用。

按性能分粉狀填料可分為活性填料和惰性填料兩類(lèi)；按尺寸分有微米級(jí)填料、納米級(jí)填料等。

粉狀填料的增強(qiáng)效果主要取決于填料的種類(lèi)、尺寸、用量、表面性質(zhì)以及填料在高分子基材中的分散狀況。第45頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

炭黑增強(qiáng)橡膠是最突出的粉狀填料增強(qiáng)聚合物材料的例子。炭黑是典型活性填料，尺寸在亞微米級(jí)，增強(qiáng)效果十分顯著。表列出幾種橡膠用炭黑或白炭黑（二氧化硅）增強(qiáng)改性的效果?？梢钥闯?，尤其對(duì)非結(jié)晶性的丁苯橡膠和丁腈橡膠，經(jīng)炭黑增強(qiáng)后拉伸強(qiáng)度提高10倍之多，否則這些橡膠沒(méi)有多大實(shí)用價(jià)值。幾種橡膠采用炭黑增強(qiáng)的效果對(duì)比橡膠拉伸強(qiáng)度

/MPa增強(qiáng)倍數(shù)純膠含炭黑橡膠非結(jié)晶型硅橡膠①0.3413.740丁苯橡膠1.9619.010丁腈橡膠1.9619.610結(jié)晶型天然橡膠19.031.41.6氯丁橡膠14.725.01.7丁基橡膠17.618.61.1第46頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

吸附有多條大分子鏈的炭黑粒子具有均勻分布應(yīng)力的作用，當(dāng)其中某一條大分子鏈?zhǔn)艿綉?yīng)力時(shí)，可通過(guò)炭黑粒子將應(yīng)力傳遞到其他分子鏈上，使應(yīng)力分散。而且即便發(fā)生某一處網(wǎng)鏈斷裂，由于炭黑粒子的“類(lèi)交聯(lián)”作用，其他分子鏈仍能承受應(yīng)力，不致迅速危及整體，降低發(fā)生斷裂的可能性而起增強(qiáng)作用。

活性填料的增強(qiáng)效果主要來(lái)自其表面活性。炭黑粒子表面帶有好幾種活性基團(tuán)（羧基、酚基、醌基等），這些活性基團(tuán)與橡膠大分子鏈接觸，會(huì)發(fā)生物理的或化學(xué)的吸附?；瘜W(xué)交聯(lián)與物理交聯(lián)示意圖上圖：化學(xué)交聯(lián)下圖：物理吸附第47頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

碳酸鈣、滑石粉、陶土以及各種金屬或金屬氧化物粉末屬于惰性填料。對(duì)于惰性填料，需要經(jīng)過(guò)化學(xué)改性賦予粒子表面一定的活性，才具有增強(qiáng)作用。例如用表面活性物質(zhì)如脂肪酸、樹(shù)脂酸處理，或用鈦酸酯、硅烷等偶聯(lián)劑處理，或在填料粒子表面化學(xué)接枝大分子等都有很好的效果。粉狀填料經(jīng)硬脂酸處理填充HDPE的SEM圖上圖：硬脂酸用量0.9%下圖：1.5%第48頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

惰性填料除增強(qiáng)作用外，還能賦予高分子材料其他特殊性能和功能，如導(dǎo)電性、潤(rùn)滑性、高剛性、氣隔性等，提高材料的性/價(jià)比。

高嶺土填充HDPE增強(qiáng)PE的阻隔性（TEM圖）第49頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六2、纖維增強(qiáng)

纖維增強(qiáng)塑料是利用纖維的高強(qiáng)度、高模量、尺寸穩(wěn)定性和樹(shù)脂的低密度、強(qiáng)韌性設(shè)計(jì)制備的一種復(fù)合材料。兩者取長(zhǎng)補(bǔ)短，復(fù)合的同時(shí)既克服了纖維的脆性，也提高了樹(shù)脂基體的強(qiáng)度、剛性、耐蠕變和耐熱性。常用的纖維材料玻璃纖維碳纖維硼纖維天然纖維基體材料熱固性樹(shù)脂熱塑性樹(shù)脂橡膠類(lèi)材料第50頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六用玻璃纖維或其他織物與環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯等復(fù)合制備的玻璃鋼材料是一種力學(xué)性能很好的高強(qiáng)輕質(zhì)材料，其比強(qiáng)度、比模量不僅超過(guò)鋼材，也超過(guò)其他許多材料，成為航空航天技術(shù)中的重要材料。用玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的性能數(shù)據(jù)，可以看到，增強(qiáng)后復(fù)合材料的性能均超過(guò)純塑料性能，特別拉伸強(qiáng)度、彈性模量得到大幅度提高。

常用的纖維材料有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、天然纖維等?；w材料有熱固性樹(shù)脂，如環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂；也有熱塑性樹(shù)脂，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。第51頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六玻璃纖維增強(qiáng)的某些熱塑性塑料的性能①材料拉伸強(qiáng)度/伸長(zhǎng)率

/％沖擊強(qiáng)度(缺口)/Jm-1彈性模量/熱變形溫度(1.86MPa)/K聚乙烯

未增強(qiáng)2256078.50.78321聚乙烯

增強(qiáng)7553.82366.19399聚苯乙烯

未增強(qiáng)5792.015.72.75358聚苯乙烯

增強(qiáng)9601.11318.34377聚碳酸酯

未增強(qiáng)61860～1666282.16405～471聚碳酸酯

增強(qiáng)13701.7196～47011.7420～422尼龍66未增強(qiáng)68660542.75339～359尼龍66增強(qiáng)20602.21995.98～12.55>473聚甲醛

未增強(qiáng)6866074.52.75383聚甲醛

增強(qiáng)8241.5425.59441①

均含玻璃纖維20-40%第52頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六纖維增強(qiáng)的機(jī)理

纖維增強(qiáng)塑料的機(jī)理是依靠?jī)烧邚?fù)合作用。纖維具有高強(qiáng)度可以承受高應(yīng)力，樹(shù)脂基體容易發(fā)生粘彈變形和塑性流動(dòng)，它們與纖維粘結(jié)在一起可以傳遞應(yīng)力。圖給出這種復(fù)合作用示意圖。纖維增強(qiáng)塑料的復(fù)合作用示意圖第53頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

材料受力時(shí)，首先由纖維承受應(yīng)力，個(gè)別纖維即使發(fā)生斷裂，由于樹(shù)脂的粘結(jié)作用和塑性流動(dòng)，斷纖維被拉開(kāi)的趨勢(shì)得到抑制，斷纖維仍能承受應(yīng)力。樹(shù)脂與纖維的粘結(jié)還具有抑制裂紋傳播的效用。材料受力引發(fā)裂紋時(shí)，軟基體依靠切變作用能使裂紋不沿垂直應(yīng)力的方向發(fā)展，而發(fā)生偏斜，使斷裂功有很大一部分消耗于反抗基體對(duì)纖維的粘著力，阻止裂紋傳播。

由此可見(jiàn)，纖維增強(qiáng)塑料時(shí)，纖維與樹(shù)脂基體界面粘合性的好壞是復(fù)合的關(guān)鍵。對(duì)于與樹(shù)脂親合性較差的纖維，如玻璃纖維，使用前應(yīng)采用化學(xué)或物理方法對(duì)表面改性，提高其與基體的粘合力。復(fù)合作用原理第54頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六玻璃纖維增強(qiáng)PP樹(shù)脂，纖維表面未經(jīng)處理纖維含量：30%（w）第55頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六玻璃纖維增強(qiáng)PP樹(shù)脂，纖維表面經(jīng)偶聯(lián)處理纖維含量：30%（w）拉伸強(qiáng)度由上圖的40MPa增至87MPa沖擊強(qiáng)度由上圖的16kJ.m-2增至34kJ.m-2第56頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

基于上述機(jī)理也可得知，在基體中，即使纖維都已斷裂，或者直接在基體中加入經(jīng)過(guò)表面處理的短纖維，只要纖維具有一定的長(zhǎng)徑比，使復(fù)合作用有效，仍可以達(dá)到增強(qiáng)效果。實(shí)際上短纖維增強(qiáng)塑料、橡膠的技術(shù)都有很好的發(fā)展，部分已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

按復(fù)合作用原理，短纖維的臨界長(zhǎng)度Lc可按下式計(jì)算：

式中為纖維的拉伸屈服應(yīng)力，為基體的剪切屈服應(yīng)力，d為纖維直徑。

第57頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六纖維取向?qū)嗔堰^(guò)程的影響纖維平行于拉伸方向a)纖維脫離基體并拔出b)部分纖維脫離并拔出，纖維斷裂c)纖維與基體粘附良好，纖維斷裂

纖維垂直于拉伸方向a)纖維與基體分離，形成空洞b)斜纖維脫離基體，纖維斷裂c)裂紋在基體內(nèi)或沿邊界擴(kuò)展

由此可見(jiàn)，纖維取向使材料出現(xiàn)各向異性。一般平行于纖維取向方向的材料強(qiáng)度高。斷裂易發(fā)生在垂直于纖維取向方向上。第58頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六ENDofChapt.7Part2第59頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六三、高分子材料的抗沖擊強(qiáng)度和增韌改性

高分子材料抗沖擊強(qiáng)度是指標(biāo)準(zhǔn)試樣受高速?zèng)_擊作用斷裂時(shí)，單位斷面面積（或單位缺口長(zhǎng)度）所消耗的能量。它描述了高分子材料在高速?zèng)_擊作用下抵抗沖擊破壞的能力和材料的抗沖擊韌性，有重要工藝意義。但它不是材料基本常數(shù)，其量值與實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。（一）

抗沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)抗沖擊強(qiáng)度的測(cè)定方法高速拉伸試驗(yàn)落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)懸臂梁式（Izod）簡(jiǎn)支梁式（Charpy）第60頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

采用簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊試驗(yàn)時(shí)，將試樣放于支架上（有缺口時(shí)，缺口背向沖錘），釋放事先架起的沖錘，讓其自由下落，打斷試樣，利用沖錘回升的高度，求出沖斷試樣所消耗的功A，按下式計(jì)算抗沖擊強(qiáng)度：式中分別為試樣沖擊斷面的寬和厚，抗沖擊強(qiáng)度單位為。若實(shí)驗(yàn)求算的是單位缺口長(zhǎng)度所消耗的能量，單位為。簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)（Charpy）示意圖第61頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)中，材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下的面積（下圖）相當(dāng)于試樣拉伸斷裂所消耗的能量，也表征材料韌性的大小。很顯然，斷裂強(qiáng)度高和斷裂伸長(zhǎng)率大的材料韌性也好。

但這個(gè)能量與抗沖擊強(qiáng)度不同。不同在于，兩種實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變速率不同，拉伸實(shí)驗(yàn)速率慢而沖擊速率極快；拉伸曲線(xiàn)求得的能量為斷裂時(shí)材料單位體積所吸收的能量，而沖擊實(shí)驗(yàn)只關(guān)心斷裂區(qū)表面吸收的能量。材料拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

第62頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六三個(gè)階段中物料吸收能量的能力不同，有些材料如硬質(zhì)聚氯乙烯，裂紋引發(fā)能高而擴(kuò)展能很低，這種材料無(wú)缺口時(shí)抗沖強(qiáng)度較高，一旦存在缺口則極容易斷裂。裂紋擴(kuò)展是材料破壞的關(guān)鍵階段，因此材料增韌改性的關(guān)鍵是提高材料抗裂紋擴(kuò)展的能力。

沖擊破壞過(guò)程雖然很快，但根據(jù)破壞原理也可分為三個(gè)階段：一是裂紋引發(fā)階段，二是裂紋擴(kuò)展階段，三是斷裂階段。沖擊實(shí)驗(yàn)中材料受力及屈撓關(guān)系曲線(xiàn)曲線(xiàn)下面積：白亮區(qū)域——裂紋引發(fā)能陰影區(qū)域——裂紋擴(kuò)展能第63頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六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電鏡照片；右圖韌性試樣斷裂表面的電鏡照片第64頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（二）影響抗沖擊強(qiáng)度的因素1、

缺口的影響

沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)，有時(shí)在試樣上預(yù)置缺口，有時(shí)不加缺口。有缺口試樣的抗沖強(qiáng)度遠(yuǎn)小于無(wú)缺口試樣，原因在于有缺口試樣已存在表觀裂紋，沖擊破壞吸收的能量主要用于裂紋擴(kuò)展。

另外缺口本身有應(yīng)力集中效應(yīng)，缺口附近的高應(yīng)力使局部材料變形增大，變形速率加快，材料發(fā)生韌-脆轉(zhuǎn)變，加速破壞。缺口曲率半徑越小，應(yīng)力集中效應(yīng)越顯著，因此預(yù)置缺口必須按標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格操作。第65頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六2、

溫度的影響

溫度升高，材料抗沖擊強(qiáng)度隨之增大。對(duì)無(wú)定形聚合物，當(dāng)溫度升高到玻璃化溫度附近或更高時(shí)，抗沖擊強(qiáng)度急劇增大。

對(duì)結(jié)晶性聚合物，其玻璃化溫度以上的抗沖擊強(qiáng)度也比玻璃化溫度以下的高，這是因?yàn)樵诓ＡЩ瘻囟雀浇鼤r(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)釋放，分子運(yùn)動(dòng)加劇，使應(yīng)力集中效應(yīng)減緩，部分能量會(huì)由于材料的力學(xué)損耗作用以熱的形式逸散。右圖給出幾種聚丙烯試樣的抗沖強(qiáng)度隨溫度的變化，可以看出，在玻璃化溫度附近抗沖強(qiáng)度有較大的增長(zhǎng)。

幾種聚丙烯試樣抗沖強(qiáng)度隨溫度的變化第66頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六3、

結(jié)晶、取向的影響

對(duì)聚乙烯、聚丙烯等高結(jié)晶度材料，當(dāng)結(jié)晶度為40-60%時(shí)，由于材料拉伸時(shí)有屈服發(fā)生且斷裂伸長(zhǎng)率高，韌性很好。結(jié)晶度再增高，材料變硬變脆，抗沖擊韌性反而下降。這是由于結(jié)晶使分子間相互作用增強(qiáng)，鏈段運(yùn)動(dòng)能力減弱，受到外來(lái)沖擊時(shí)，材料形變能力減少，因而抗沖擊韌性變差。

從結(jié)晶形態(tài)看，具有均勻小球晶的材料抗沖擊韌性好，而大球晶韌性差。球晶尺寸大，球晶內(nèi)部以及球晶之間的缺陷增多，材料受沖擊力時(shí)易在薄弱環(huán)節(jié)破裂。

對(duì)取向材料，當(dāng)沖擊力與取向方向平行，沖擊強(qiáng)度因取向而提高，若沖擊力與取向方向垂直，沖擊強(qiáng)度下降。由于實(shí)際材料總是在最薄弱處首先破壞，因此取向?qū)Σ牧系目箾_擊性能一般是不利的

第67頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六4、共混，共聚，填充的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用與橡膠類(lèi)材料嵌段共聚、接枝共聚或物理共混的方法可以大幅度改善脆性塑料的抗沖擊性能。CPE在PVC/CPE共混物中的分散狀態(tài)與共混時(shí)間的關(guān)系第68頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

采用丁二烯與苯乙烯共聚得到高抗沖聚苯乙烯；采用氯化聚乙烯與聚氯乙烯共混得到硬聚氯乙烯韌性體，都將使基體的抗沖強(qiáng)度提高幾倍至幾十倍。橡膠增韌塑料已發(fā)展為十分成熟的塑料增韌技術(shù)，由此開(kāi)發(fā)出一大批新型材料，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益。CPE用量對(duì)PVC/CPE共混物力學(xué)性能的影響共聚、共混改性效果第69頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

在熱固性樹(shù)脂及脆性高分子材料中添加纖維狀填料，也可以提高基體的抗沖擊強(qiáng)度。纖維一方面可以承擔(dān)試片缺口附近的大部分負(fù)荷，使應(yīng)力分散到更大面積上，另一方面還可以吸收部分沖擊能，防止裂紋擴(kuò)展成裂縫。脆性基體中纖維對(duì)裂紋尖區(qū)的影響Wd—纖維撕脫能，Ws—纖維滑動(dòng)能，Wp—纖維拔出能，Wmr—基體脆斷能韌性基體中纖維對(duì)裂紋尖區(qū)的影響Wd—纖維撕脫能，Ws—纖維滑動(dòng)能，Wp—纖維拔出能，Wmr—基體斷裂能，Wm—基體塑性變形能填充、復(fù)合改性效果第70頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

與此相反，若在聚苯乙烯這樣的脆性材料中添加碳酸鈣之類(lèi)的粉狀填料，則往往使材料抗沖擊性能進(jìn)一步下降。因?yàn)樘盍舷喈?dāng)于基體中的缺陷，填料粒子還有應(yīng)力集中作用，這些都將加速材料的破壞。近年來(lái)人們?cè)谀承┧芰匣w中添加少量經(jīng)過(guò)表面處理的微細(xì)無(wú)機(jī)粒子，發(fā)現(xiàn)個(gè)別體系中，無(wú)機(jī)填料也有增韌作用。第71頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六（三）高分子材料的增韌改性1、

橡膠增韌塑料的經(jīng)典機(jī)理

橡膠增韌塑料的效果是十分明顯的。無(wú)論脆性塑料或韌性塑料，添加幾份到十幾份橡膠彈性體，基體吸收能量的本領(lǐng)會(huì)大幅度提高。尤其對(duì)脆性塑料，添加橡膠后基體會(huì)出現(xiàn)典型的脆-韌轉(zhuǎn)變。

關(guān)于橡膠增韌塑料的機(jī)理，曾有人認(rèn)為是由于橡膠粒子本身吸收能量，橡膠橫跨于裂紋兩端，阻止裂紋擴(kuò)展；也有人認(rèn)為形變時(shí)橡膠粒子收縮，誘使塑料基體玻璃化溫度下降。

研究表明，形變過(guò)程中橡膠粒子吸收的能量很少，約占總吸收能量的10%，大部分能量是被基體連續(xù)相吸收的。另外由橡膠收縮引起的玻璃化溫度下降僅10℃左右，不足以引起脆性塑料在室溫下屈服。

第72頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六

他們認(rèn)為：橡膠粒子能提高脆性塑料的韌性，是因?yàn)橄鹉z粒子分散在基體中，形變時(shí)成為應(yīng)力集中體，能促使周?chē)w發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變和屈服。Schmitt和Bucknall等人根據(jù)橡膠與脆性塑料共混物在低于塑料基體斷裂強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，會(huì)出現(xiàn)剪切屈服和應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象；又根據(jù)剪切屈服是韌性聚合物（如聚碳酸酯）的韌性來(lái)源的觀點(diǎn)，逐步完善橡膠增韌塑料的經(jīng)典機(jī)理。

屈服的主要形式有：引發(fā)大量銀紋（應(yīng)力發(fā)白）和形成剪切屈服帶，吸收大量變形能，使材料韌性提高。剪切屈服帶還能終止銀紋，阻礙其發(fā)展成破壞性裂縫。第73頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六橡膠粒子引發(fā)銀紋示意圖ABS中兩相結(jié)構(gòu)示意圖其中白粒子為橡膠相

應(yīng)力作用下橡膠粒子變形，造成應(yīng)力集中，引發(fā)銀紋第74頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六ABS中橡膠粒子引發(fā)銀紋的電鏡照片，其中黑粒子為橡膠相第75頁(yè)，共87頁(yè)，2022年，5月20日，20點(diǎn)10分，星期六PVC/ABS共混物中ABS粒子引發(fā)PVC基體產(chǎn)生銀紋的電鏡照片，ABS粒子中黑相為橡膠相高抗沖PS共聚物中橡膠粒子引發(fā)