高分子材料的斷裂與強(qiáng)度

高分子材料的斷裂與強(qiáng)度第一頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。高分子材料是以聚合物為基本組分，大多情況下同時(shí)還含有各種添加劑的材料。如加入填料、增塑劑、穩(wěn)定劑等，以期獲得具有實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的材料或改善其成型加工的性能。概述聚合物作為材料可因用途不同，有不同的性能要求，如力學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能，但對(duì)大多數(shù)高分子材料，力學(xué)性能是其最重要的性能。材料的力學(xué)性能是指外加作用力與形變及破壞的關(guān)系第二頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。主要內(nèi)容高分子材料的斷裂高分子材料的強(qiáng)度第三頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。一、高分子材料的斷裂高聚物的實(shí)際強(qiáng)度與其斷裂行為的特征密切相關(guān)，從斷裂的性質(zhì)來(lái)分，高分子材料的宏觀斷裂分為脆性斷裂和韌性斷裂所謂韌性斷裂是在屈服點(diǎn)之后斷裂，斷裂面粗糙，消耗的斷裂能很大。所謂脆性斷裂是在屈服點(diǎn)之前斷裂，斷裂面光滑，消耗的斷裂能不大而材料的脆性斷裂，在工程上必須盡量避免的。第四頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。（一）脆性斷裂和韌性斷裂脆性斷裂表面發(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)。韌性斷裂表面第五頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。（二）斷裂的分子理論和斷裂過(guò)程斷裂的分子理論在外應(yīng)力作用下材料發(fā)生形變后，會(huì)引起各種響應(yīng)使分子鏈斷裂，斷裂的結(jié)果使應(yīng)力重新分布：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。第六頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。高分子材料斷裂過(guò)程：

裂紋引發(fā)（成核）

裂紋擴(kuò)展

斷裂源首先在材料最薄弱處形成，一般是主裂紋通過(guò)單個(gè)銀紋擴(kuò)展；隨著裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力水平提高，主裂紋不再是通過(guò)單個(gè)銀紋擴(kuò)展，而是通過(guò)多個(gè)銀紋擴(kuò)展，因而轉(zhuǎn)入霧狀區(qū)；當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度時(shí)，斷裂突然發(fā)生。脆性斷裂過(guò)程基本可分為三個(gè)階段：第七頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。二、高分子材料的強(qiáng)度強(qiáng)度是材料抵抗外力破壞的能力，高聚物之所以具有抵抗外力破壞的能力，主要靠分子內(nèi)的化學(xué)鍵合力和分子間的范德華力和氫鍵。影響高聚物實(shí)際強(qiáng)度的因素很多，總的來(lái)說(shuō)可以分為兩類(lèi)：一是與材料本身有關(guān)的，包括高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量及其分布、支化和交聯(lián)、結(jié)晶與取向等；另一類(lèi)是與外界條件有關(guān)的，包括溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)力狀態(tài)等。第八頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。（一）高聚物的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)強(qiáng)度的影響高聚物彈性模量依賴(lài)于結(jié)構(gòu)因素，凡屬分子量較大、柔順性較小、極性較強(qiáng)、取向度較高、結(jié)晶度較高和交聯(lián)密度較大的高聚物，彈性模量的數(shù)值均較大。高聚物的其他力學(xué)性能與彈性模量之間有相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系。彈性模量較大的聚合物，抗沖擊強(qiáng)度就較小，但硬度、撓曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均較大?？箾_擊性是高聚物材料使用性能的重要方面，提高分子鏈的柔順性可以改善高聚物的抗沖擊性，沖擊力是一種快速作用力，往往使分子鏈來(lái)不及做出構(gòu)象調(diào)整，即鏈段材料來(lái)不及作松弛運(yùn)動(dòng)以分散應(yīng)力，從而出現(xiàn)脆性破壞，只有高聚物處于高彈態(tài)或分子鏈柔順性大者，才具有較好的抗沖擊性，通過(guò)使用增塑劑、增韌劑或共混改性可以改善高聚物的抗沖擊性。第九頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。（1）高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)

一般來(lái)說(shuō)，分子鏈間的作用力小、取代基體積小、極性弱的大分子鏈其柔順性較好，此類(lèi)高聚物在較小外力下便產(chǎn)生高彈形變，因此較軟，屈服強(qiáng)度低、彈性模量小、拉伸強(qiáng)度低、伸長(zhǎng)率達(dá)；而增大高分子的極性或產(chǎn)生氫鍵可使強(qiáng)度提高，另外主鏈具有芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的高聚物，其強(qiáng)度和模量都比脂肪族主鏈高。為了提高彈性模量和強(qiáng)度，可以在分子鏈中引入極性基團(tuán)或環(huán)狀結(jié)構(gòu)。注意：極性基團(tuán)過(guò)密或取代基過(guò)大，僵硬性太大，會(huì)造成加工成型的困難，還會(huì)帶來(lái)脆性，反而限制了聚合物的使用范圍。第十頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。（2）分子量及其分布

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)。在一定范圍內(nèi)，伸長(zhǎng)或沖擊強(qiáng)度隨高聚物分子量的增大而增大。當(dāng)分子量增大到某一范圍以上，外力達(dá)到足以使大分子主鏈共價(jià)鍵斷裂而仍足以使大分子滑動(dòng)時(shí)，聚合物的破壞便發(fā)生于共價(jià)鍵上，拉伸強(qiáng)度便不再隨分子量的增大而增大了，而沖擊強(qiáng)度則繼續(xù)增大。分子量分布對(duì)機(jī)械強(qiáng)度也有影響，若分布很寬，低分子量的分子含量達(dá)10%~15%，強(qiáng)度會(huì)明顯下降，其原因是低分子量的分子起著內(nèi)增塑作用，促使分子鏈之間易于發(fā)生滑動(dòng)。第十一頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。（3）支化和交聯(lián)分子鏈支化程度增加，使分子之間的距離增加，分子間的作用力減小，因而高聚物的拉伸強(qiáng)度會(huì)降低，但沖擊強(qiáng)度會(huì)提高，例如高壓聚乙烯的拉伸強(qiáng)度比低壓聚乙烯的低，而沖擊強(qiáng)度反而比低壓聚乙烯高。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。適度的交聯(lián)可以有效地增加分子鏈間的聯(lián)系，使分子鏈不易發(fā)生相對(duì)滑移。隨著交聯(lián)度的增加，往往不易發(fā)生大的形變，強(qiáng)度增高。但交聯(lián)過(guò)程中往往會(huì)使高聚物結(jié)晶度下降，取向困難，因而過(guò)分的交聯(lián)并不是有利的，如硫化膠的交聯(lián)劑用量一般低于5%。第十二頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。（4）結(jié)晶和取向

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。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。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。第十三頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。

高聚物加工過(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。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。取向第十四頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。（二）外界條件對(duì)強(qiáng)度的影響溫度與形變速率較大地增加形變速率或較大幅度地降溫，鏈段在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)將來(lái)不及再取向，從而導(dǎo)致斷鏈和脆性斷裂。在高速應(yīng)變或低溫下，內(nèi)部分子活動(dòng)受阻，則高聚物呈現(xiàn)低的沖擊強(qiáng)度和脆性斷裂。第十五頁(yè)，編輯于星期日：五點(diǎn)四十四分。應(yīng)力狀態(tài)影響高聚物脆性——韌性轉(zhuǎn)移，施加流體靜壓力，可以使脆性固體表現(xiàn)為韌性。當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)由壓縮改變?yōu)楹?jiǎn)單剪切