三高分子固體的力學(xué)性質(zhì)課件

高分子化學(xué)與物理基礎(chǔ)高分子物理部分

蔣加興材料科學(xué)與工程學(xué)院高分子化學(xué)與物理基礎(chǔ)主講內(nèi)容第一章高分子的結(jié)構(gòu)第二章高分子的分子運(yùn)動、力學(xué)狀態(tài)及轉(zhuǎn)變第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)第四章高分子溶液的基本性質(zhì)第五章高分子電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)的基本性質(zhì)主講內(nèi)容第一章高分子的結(jié)構(gòu)

研究高分材料力學(xué)性能的一般規(guī)律以及力學(xué)性能與高分子結(jié)構(gòu)、分子運(yùn)動之間的內(nèi)在關(guān)系，對改進(jìn)和提高高分子材料的力學(xué)性能、優(yōu)化高分子制品的設(shè)計(jì)、選擇合適的成型加工條件、合理使用高分子材料都具有重要意義。研究意義第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)研究高分材料力學(xué)性能的一般規(guī)律以及力學(xué)性能與第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第二節(jié)

玻璃態(tài)和晶態(tài)高分子的力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)高分子彈性體的力學(xué)性能第四節(jié)高分子的粘彈性第五節(jié)粘彈性數(shù)學(xué)模型第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第三章高分子固體的基本第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第二節(jié)

玻璃態(tài)和晶態(tài)高分子的力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)高分子彈性體的力學(xué)性能第四節(jié)高分子的粘彈性第五節(jié)粘彈性數(shù)學(xué)模型第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第三章高分子固體的基本第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)聚合物的力學(xué)性能:指的是高分子材料在受到外部應(yīng)力作用后的響應(yīng)特性。如形變大小、形變的可逆性及抗破損性能等，這些響應(yīng)可用一些基本的指標(biāo)來表征。1.1描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)聚合物的力學(xué)性能:指的是（1）應(yīng)變與應(yīng)力

材料在外力作用下，其幾何形狀和尺寸所發(fā)生的變化稱應(yīng)變或形變。材料在發(fā)生形變的同時(shí)，在其內(nèi)部還會產(chǎn)生對抗外力的附加內(nèi)力，以使材料保持原狀，當(dāng)外力消除后，內(nèi)力就會使材料回復(fù)原狀并自行逐步消除。當(dāng)外力與內(nèi)力達(dá)到平衡時(shí)，內(nèi)力與外力大小相等，方向相反。通常以單位尺寸上（面積、體積）所發(fā)生的變化來表征：定義單位面積上的附加內(nèi)力或單位面積上受到的外力為應(yīng)力（單位：Pa)。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（1）應(yīng)變與應(yīng)力第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)模量：指材料抵抗外力發(fā)生形變能力大小的物理量。柔量：在外力作用下能夠發(fā)生形變能力大小的物理量。（2）模量和柔量第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)模量：指材料抵抗外力發(fā)生形變能力大小的物理量。（2）模量和柔簡單剪切本體壓縮基本的形變形狀改變而體積不變（體積改變而形狀不變）簡單拉伸第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)材料受力方式不同，發(fā)生形變的方式亦不同，材料受力方式主要有以下三種基本類型：簡單剪切本體壓縮基本的形變形狀改變而體積不變（體積改變而形狀

（a）簡單拉伸材料受到一對垂直于材料截面、大小相等、方向相反并在同一直線上的外力作用。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)拉伸應(yīng)力：

=F/A0（A0為材料的起始截面積）拉伸應(yīng)變：e=（l-l0）/l0=Dl/l0簡單拉伸示意圖A0l0lDlAFF

材料在拉伸作用下產(chǎn)生的形變稱為拉伸應(yīng)變（

），也稱相對伸長率。受一對大小相等，方向相反，作用在一條直線上的力F。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)拉伸應(yīng)力：=F/A0（A0為材料的起始截將應(yīng)力與應(yīng)變之比定義為楊氏模量：E=

/e

（虎克定律），反應(yīng)了材料抵抗形變能力的大小，模量越大，材料的剛性越大，材料越難發(fā)生應(yīng)變。楊氏模量的倒數(shù)為拉伸柔量（D)，D越大,越容易發(fā)生形變。泊松比（

):橫向收縮與軸向伸長之比，材料橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值的絕對值，也叫橫向變形系數(shù)，它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)將應(yīng)力與應(yīng)變之比定義為楊氏模量：E=/e（虎克泊松比數(shù)值

解釋0.5

不可壓縮或拉伸中無體積變化

0.0沒有橫向收縮0.49~0.499

橡膠的典型數(shù)值0.20~0.40塑料的典型數(shù)值第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)泊松比數(shù)值解釋0.5不可壓縮或拉伸中無體積變化0.0（b）簡單剪切

材料受到與截面平行、大小相等、方向相反，但不在一條直線上的兩個(gè)外力作用，使材料發(fā)生偏斜。其偏斜角的正切值定義為剪切應(yīng)變（

）。A0FF

簡單剪切示意圖第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（b）簡單剪切A0FF簡單剪切示意圖第三章高分子固體的基剪切位移S，剪切角

，剪切面間距d

簡單剪切實(shí)驗(yàn)?zāi)馨迅呔畚锖暧^力學(xué)性能與它們內(nèi)部分子運(yùn)動相聯(lián)系，建立高聚物力學(xué)行為的分子理論。剪切模量（剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變的比值）

：G=

/剪切柔量：J＝γ/

剪切應(yīng)力：

=F/A0

剪切應(yīng)變：

=S/d=tan第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)剪切位移S，剪切角，簡單剪切實(shí)驗(yàn)?zāi)馨迅呔畚锖暧^（c）本體壓縮

材料受到均勻壓力壓縮時(shí)發(fā)生的體積形變稱壓縮應(yīng)變（Δ）。材料經(jīng)壓縮以后，體積由V0縮小為V，則壓縮應(yīng)變：

Δ=（V0-V）/V0=ΔV/V0體積模量（本體模量）：B=p/Δ第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（c）本體壓縮材料經(jīng)壓縮以后，體積由V0縮小為V，則第三章材料受力方式除以上三種基本類型外，還有彎曲和扭轉(zhuǎn)。（d）彎曲

對材料施加一彎曲力矩，使材料發(fā)生彎曲。主要有兩種形式：F一點(diǎn)彎曲F三點(diǎn)彎曲第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)材料受力方式除以上三種基本類型外，還有彎曲和扭轉(zhuǎn)。F一點(diǎn)彎曲（e）扭轉(zhuǎn)：對材料施加扭轉(zhuǎn)力矩。FF第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（e）扭轉(zhuǎn)：對材料施加扭轉(zhuǎn)力矩。FF第三章高分子固體的基（3）硬度：是衡量材料表面承受外界壓力能力的一種指標(biāo)。（4）機(jī)械強(qiáng)度當(dāng)材料所受的外力超過材料的承受能力時(shí)，材料就發(fā)生破壞。機(jī)械強(qiáng)度是衡量材料抵抗外力破壞的能力，是指在一定條件下材料所能承受的最大應(yīng)力。根據(jù)外力作用方式不同，主要有以下三種：（i）抗張強(qiáng)度衡量材料抵抗拉伸破壞的能力，也稱拉伸強(qiáng)度。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（3）硬度：是衡量材料表面承受外界壓力能力的一種指標(biāo)。（i）厚度d寬度b

在規(guī)定試驗(yàn)溫度、濕度和實(shí)驗(yàn)速度下，在標(biāo)準(zhǔn)試樣上沿軸向施加拉伸負(fù)荷，直至試樣被拉斷。PP

試樣斷裂前所受的最大負(fù)荷P與試樣橫截面積之比為抗張強(qiáng)度

t：

t=P/b?d第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)厚度d寬度b在規(guī)定試驗(yàn)溫度、濕度和實(shí)驗(yàn)速度下，在標(biāo)（ii）抗彎強(qiáng)度也稱撓曲強(qiáng)度或彎曲強(qiáng)度?？箯潖?qiáng)度的測定是在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，對標(biāo)準(zhǔn)試樣施加一靜止彎曲力矩，直至試樣斷裂。

設(shè)試驗(yàn)過程中最大的負(fù)荷為P，則抗彎強(qiáng)度

f為：

f=1.5Pl0/bd2Pdbl0/2l0/2抗彎強(qiáng)度測定試驗(yàn)示意圖第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（ii）抗彎強(qiáng)度設(shè)試驗(yàn)過程中最大的負(fù)荷為P，則抗彎強(qiáng)度（iii）沖擊強(qiáng)度（

i）沖擊強(qiáng)度也稱抗沖強(qiáng)度,定義為試樣受沖擊負(fù)荷時(shí)單位截面積所吸收的能量。是衡量材料韌性的一種指標(biāo)。測定時(shí)基本方法與抗彎強(qiáng)度測定相似，但其作用力是運(yùn)動的，不是靜止的。

試樣斷裂時(shí)吸收的能量等于斷裂時(shí)沖擊頭所做的功W，因此沖擊強(qiáng)度為：

i=

W/bd沖擊強(qiáng)度測定試驗(yàn)示意圖沖擊頭，以一定速度對試樣實(shí)施沖擊Pbl0/2l0/2d第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（iii）沖擊強(qiáng)度（i）試樣斷裂時(shí)吸收的能量等于斷第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第二節(jié)

玻璃態(tài)和晶態(tài)高分子的力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)高分子彈性體的力學(xué)性能第四節(jié)高分子的粘彈性第五節(jié)粘彈性數(shù)學(xué)模型第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第三章高分子固體的基本

玻璃態(tài)聚合物被拉伸時(shí)，典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如右圖：在曲線上有一個(gè)應(yīng)力出現(xiàn)極大值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)Y，叫屈服點(diǎn)，對應(yīng)的應(yīng)力稱屈服應(yīng)力（

y

）。BY應(yīng)變應(yīng)力eb

b

y玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在屈服點(diǎn)之前，應(yīng)力與應(yīng)變基本成正比（虎克彈性），經(jīng)過屈服點(diǎn)后，即使應(yīng)力不再增大，但應(yīng)變?nèi)员３忠欢ǖ纳扉L；當(dāng)材料繼續(xù)被拉伸時(shí)，將發(fā)生斷裂，材料發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力稱斷裂應(yīng)力（

b

），相應(yīng)的應(yīng)變稱為斷裂伸長率（eb）。2.1玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)玻璃態(tài)聚合物被拉伸時(shí)，典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如右圖屈服：當(dāng)應(yīng)力超過比例極限后，應(yīng)力、應(yīng)變之間不再保持線性關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到某一最大值時(shí)，曲線開始出現(xiàn)應(yīng)變增加而應(yīng)力不變或先降低后不變的現(xiàn)象，稱為材料的屈服。屈服點(diǎn)(又稱應(yīng)變軟化點(diǎn))：經(jīng)過此點(diǎn)應(yīng)力不再增加，材料仍能繼續(xù)發(fā)生一定的伸長。超過了此點(diǎn)，凍結(jié)的鏈段開始運(yùn)動。

第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)屈服：當(dāng)應(yīng)力超過比例極限后，應(yīng)力、應(yīng)變之間不再保持線性關(guān)系。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)脆性斷裂

材料在未屈服就發(fā)生斷裂，斷裂面表面光滑平整，應(yīng)變值低于5％，且所需的能量不大。韌性斷裂

材料在屈服以后的斷裂，試樣斷面常常顯示有外延的形變。通常有比脆性斷裂大得多的形變，消耗的斷裂能大。在許多特征中，斷裂能和斷裂面形狀是區(qū)別脆性斷裂和韌性斷裂最主要的指標(biāo)。材料的破壞方式第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)脆性斷裂材料的破壞方式溫度對非晶態(tài)高聚合物力學(xué)性能的影響T1＜T2＜T3＜T4。T1—脆斷T<<Tg

T2—韌斷T<TgT3—韌斷T<Tg(幾十度)T4—無屈服T>Tg第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)溫度對非晶態(tài)高聚合物力學(xué)性能的影響T1—脆斷T<<T

玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)曲線中的物理量：σy：屈服應(yīng)力（屈服強(qiáng)度）εy：屈服應(yīng)變（屈服伸長率）σb：斷裂強(qiáng)度εb：斷裂伸長率E：彈性模量，即曲線初始部分的斜率斷裂能S(∫σdε)：曲線下的面積，反映拉伸斷裂韌性的大小。曲線的過程描述：彈性形變→屈服→應(yīng)變軟化(強(qiáng)迫高彈形變）→應(yīng)變硬化→斷裂。玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第三章高分子固體的基本力單軸拉伸非晶態(tài)聚合物五個(gè)階段①彈性形變區(qū):從直線的斜率可以求出楊氏模量，從分子機(jī)理來看，這一階段的普彈性是由于高分子的鍵長、鍵角和小的運(yùn)動單元的變化引起的。②屈服點(diǎn):超過了此點(diǎn)，凍結(jié)的鏈段開始運(yùn)動。③應(yīng)變軟化區(qū):又稱為強(qiáng)迫高彈形變，本質(zhì)上與高彈形變一樣，是鏈段的運(yùn)動，但它是在外力作用下發(fā)生的。④應(yīng)變硬化區(qū):分子鏈取向排列，使強(qiáng)度提高。⑤斷裂。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)單軸拉伸非晶態(tài)聚合物五個(gè)階段①彈性形變區(qū):從直線的斜率可在屈服點(diǎn)后出現(xiàn)的較大應(yīng)變在移去外力后是不能復(fù)原的。但是如果將試樣溫度升到其Tg附近，該形變則可完全復(fù)原，因此它在本質(zhì)上仍屬高彈形變，并非粘流形變，是由高分子的鏈段運(yùn)動所引起的。---

強(qiáng)迫高彈形變第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)在屈服點(diǎn)后出現(xiàn)的較大應(yīng)變在移去外力后是不能復(fù)原的。但是如果將

原因在于：在外力的作用下，玻璃態(tài)聚合物中本來被凍結(jié)的鏈段被強(qiáng)迫運(yùn)動，使高分子鏈發(fā)生伸展，產(chǎn)生大的形變。但由于聚合物仍處于玻璃態(tài)，當(dāng)外力移去后，鏈段不能再運(yùn)動，形變也就得不到恢復(fù)原，只有當(dāng)溫度升至Tg附近，使鏈段運(yùn)動解凍，形變才能復(fù)原。這種大形變與高彈態(tài)的高彈形變在本質(zhì)上是相同的，都是由鏈段運(yùn)動所引起。強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的原因第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)原因在于：在外力的作用下，玻璃態(tài)聚合物中本來被凍結(jié)的能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變的材料又堅(jiān)又韌。但并非所有的玻璃態(tài)聚合物在Tg以下都具有強(qiáng)迫高彈性。產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈性的先決條件是：斷裂強(qiáng)度σB>屈服強(qiáng)度σY否則，未達(dá)屈服之前材料已先斷裂。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變的材料又堅(jiān)又韌。第三章高分子固體的基本力①溫度在Tb-Tg之間才能發(fā)生Tb—脆化溫度（脆點(diǎn)）低于Tb，聚合物不發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變，材料呈脆性斷裂。Tb—玻璃態(tài)聚合物（塑料）的最低使用溫度Tb把高聚物的玻璃態(tài)分為受迫高彈態(tài)和脆性玻璃態(tài)兩部分。強(qiáng)迫高彈形變的特點(diǎn)第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)①溫度在Tb-Tg之間才能發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變的特點(diǎn)第三章高②必須在較大的外力作用下（玻璃態(tài)，無外力時(shí)鏈段不能運(yùn)動）外力撤去后，強(qiáng)迫高彈形變可以保持下來。如T升高到Tg之上，強(qiáng)迫高彈形變可以自行回復(fù)。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)②必須在較大的外力作用下（玻璃態(tài)，無外力時(shí)鏈段不能運(yùn)動）第③強(qiáng)迫高彈形變是松弛過程溫度和作用力的速率（應(yīng)變速率）對其有很大影響。作用力速率快，時(shí)間短，鏈段運(yùn)動跟不上應(yīng)力發(fā)展，強(qiáng)迫高彈形變發(fā)展不充分。若作用力速率很慢，時(shí)間很長，鏈段運(yùn)動完全能跟上應(yīng)力發(fā)展，但除了鏈段運(yùn)動產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變外，還會因大分子鏈相對滑移產(chǎn)生塑性形變（永久形變）—蠕變第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)③強(qiáng)迫高彈形變是松弛過程第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)

晶態(tài)聚合物在單向拉伸時(shí)典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖：Yes曲線的過程描述：彈性形變→屈服（出現(xiàn)細(xì)頸）→細(xì)頸擴(kuò)展：頸縮階段（冷拉）→取向硬化→斷裂。2.2晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)晶態(tài)聚合物在單向拉伸時(shí)典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖：Y晶態(tài)聚合物的大形變本質(zhì)上也屬高彈性?

未經(jīng)拉伸的晶態(tài)聚合物中，其微晶排列是雜亂的，拉伸使得晶軸與外力方向不同的微晶熔化，分子鏈沿外力方向取向再重排結(jié)晶，使得取向在熔點(diǎn)以下不能復(fù)原，因之產(chǎn)生的形變也不能復(fù)原，但加熱到熔點(diǎn)附近形變能復(fù)原，因此晶態(tài)聚合物的大形變本質(zhì)上也屬高彈性。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)晶態(tài)聚合物的大形變本質(zhì)上也屬高彈性?

晶態(tài)聚合物的應(yīng)力－應(yīng)變曲線第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)晶態(tài)聚合物的應(yīng)力－應(yīng)變曲線第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)晶態(tài)聚合物拉伸的特點(diǎn)細(xì)頸化——試樣在一處或幾處薄弱環(huán)節(jié)首先變細(xì)。冷拉——較低溫度下的不均勻拉伸（玻璃態(tài)聚合物拉伸時(shí)橫截面均勻收縮）第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)晶態(tài)聚合物拉伸的特點(diǎn)細(xì)頸化——試樣在一處或幾處薄弱環(huán)細(xì)頸化和冷拉的產(chǎn)生原因：結(jié)晶形態(tài)的變化彈性形變階段（球晶伸長率與試樣伸長率相同）球形橢球形分子鏈重排取向再結(jié)晶成纖維狀晶第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)細(xì)頸化和冷拉的產(chǎn)生原因：結(jié)晶形態(tài)的變化第三章高分子固體的基

結(jié)晶態(tài)聚合物拉伸時(shí)構(gòu)象變化的示意圖

球形橢球形分子鏈重排取向再結(jié)晶成纖維狀晶第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)

結(jié)晶態(tài)聚合物拉伸時(shí)構(gòu)象變化的示意圖

球形

相同點(diǎn)：玻璃態(tài)和晶態(tài)聚合物拉伸過程經(jīng)歷的階段相同，都能發(fā)生較大的形變，升溫時(shí)應(yīng)變可回復(fù)，本質(zhì)上都是鏈段運(yùn)動。不同點(diǎn)：產(chǎn)生高彈形變的溫度范圍不同；聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化不同。玻璃態(tài)聚合物：強(qiáng)迫高彈形變，鏈段或分子鏈取向，Tb-Tg;晶態(tài)聚合物:拉伸伴隨著聚集態(tài)的變化，包含結(jié)晶熔化、取向、再結(jié)晶，Tg-Tm。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)玻璃態(tài)和晶態(tài)聚合物拉伸過程的比較相同點(diǎn)：玻璃態(tài)和晶態(tài)聚合物拉伸過程經(jīng)歷的階段相同，都能發(fā)生

A

彈性極限應(yīng)變

A彈性極限應(yīng)力

B

斷裂伸長率

B斷裂強(qiáng)度

Y

屈服應(yīng)力屈服點(diǎn)彈性極限點(diǎn)斷裂點(diǎn)應(yīng)變軟化strain（ε％）

冷拉應(yīng)變硬化stress第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)2.3聚合物材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型A彈性極限應(yīng)變A彈性極限應(yīng)力B斷裂伸長率B硬而脆硬而強(qiáng)硬而韌軟而韌軟而弱弱而脆

根據(jù)材料的力學(xué)性能及其應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，可將聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為六類：P221第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)硬而脆根據(jù)材料的力學(xué)性能及其應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，可將聚

（1）材料硬而脆：在較大應(yīng)力作用下，材料僅發(fā)生較小的應(yīng)變，并在屈服點(diǎn)之前發(fā)生斷裂，具有高的模量和拉伸強(qiáng)度，無屈服點(diǎn)，受力呈脆性斷裂，沖擊強(qiáng)度較差，斷裂伸長率<2%(PS,PMMA)。es（1）（2）es（2）材料硬而強(qiáng)：在較大應(yīng)力作用下，材料發(fā)生較小的應(yīng)變，在屈服點(diǎn)附近斷裂，高的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長率<5%(硬PVC).第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（1）材料硬而脆：在較大應(yīng)力作用下，材料僅發(fā)生較小的應(yīng)變，es（4）（4）材料軟而韌：模量低，屈服點(diǎn)低，斷裂伸長率大（20-100%），斷裂強(qiáng)度較高，可用于要求形變較大的材料(PE,PTFE)。es（3）（3）材料硬而韌：高的楊氏模量和強(qiáng)度，斷裂伸長率較大，材料受力時(shí)，屬韌性斷裂，拉伸過程中產(chǎn)生細(xì)頸(尼龍66，PC)。以上三種聚合物由于強(qiáng)度較大，適于用做工程塑料。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)es（4）（4）材料軟而韌：模量低，屈服點(diǎn)低，斷裂伸長率大（es（5）es（6）（5）材料軟而弱：模量低，屈服應(yīng)力低，斷裂伸長率中等。如未硫化的天然橡膠。

（6）材料弱而脆：一般為低聚物，不能直接用做材料。小結(jié)：強(qiáng)與弱從斷裂強(qiáng)度

b比較；硬與軟從模量E

比較；脆與韌則可從斷裂伸長率εb比較。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)es（5）es（6）（5）材料軟而弱：模量低，屈服應(yīng)力低，斷2.4銀紋P224銀紋現(xiàn)象

銀紋是高分子材料在使用和儲存過程中，受張應(yīng)力和環(huán)境的作用下在高聚物中某些薄弱部位由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生的空化條紋（微裂紋）的現(xiàn)象。銀紋的密度是本體的50%，故折光指數(shù)不同，產(chǎn)生白色反光，故稱銀紋。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)2.4銀紋P224銀紋現(xiàn)象第三章高分子固銀紋與裂紋的區(qū)別：銀紋具有可逆性，在壓力下或在Tg以上退火時(shí)銀紋能回縮或消失。銀紋體由微纖和空穴組成，銀紋體中高聚物的體積分?jǐn)?shù)占40-60％；裂紋的兩個(gè)表面之間完全是空穴，其密度為零，不可逆。銀紋在外力作用下如果得不到抑制，進(jìn)一步發(fā)展會稱為破壞性的裂紋。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)銀紋與裂紋的區(qū)別：第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（1）高分子自身結(jié)構(gòu)的影響

分子間作用力增加，強(qiáng)度增加主鏈中引入芳雜環(huán)，可增加鏈的剛性，分子鏈易于取向，強(qiáng)度和模量增加；適度交聯(lián)，有利于強(qiáng)度的提高。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)2.5影響聚合物強(qiáng)度的因素（1）高分子自身結(jié)構(gòu)的影響第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)2(a)主鏈上芳雜環(huán)，強(qiáng)度增加芳香尼龍>普通尼龍聚苯醚>脂肪族聚醚第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)(a)主鏈上芳雜環(huán)，強(qiáng)度增加第三章高分子固體的基本力學(xué)性(b)極性基團(tuán)或形成氫鍵，強(qiáng)度增加，但極性基團(tuán)過密，不利于分子運(yùn)動，脆性增加PE(σt＝22～38MPa)（拉伸強(qiáng)度）PVC(σt＝49MPa)（拉伸強(qiáng)度）尼龍（氫鍵）σt＝81MPa（拉伸強(qiáng)度）第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)(b)極性基團(tuán)或形成氫鍵，強(qiáng)度增加，但極性基團(tuán)過密，不利于(c)分子量分子量小，分子間作用力小，在外力作用下分子間會產(chǎn)生滑動而使材料開裂。分子量增加使分子運(yùn)動困難，提高表面能，材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度提高。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)分子量小，分子間作用力小，在外力作用下分子間會產(chǎn)生滑動而使材（d）支化

支化程度↗→分子間作用力↙→拉伸強(qiáng)度↙（e）交聯(lián)阻礙分子鏈滑移→強(qiáng)度↗過度交聯(lián)→限制結(jié)晶（結(jié)晶聚合物）強(qiáng)度↘（非晶聚合物，分子鏈間作用力增強(qiáng)→強(qiáng)度↗第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（d）支化第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（2）結(jié)晶和取向結(jié)晶和取向可使分子鏈規(guī)整排列，增加強(qiáng)度，但結(jié)晶度過高，可導(dǎo)致抗沖強(qiáng)度和斷裂伸長率降低，使材料變脆。結(jié)晶:起到物理交聯(lián)的作用，與交聯(lián)類似，強(qiáng)度↗取向:取向方向上強(qiáng)度大幅提高，垂直取向方向上的強(qiáng)度大幅降低，雙軸取向可解決。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（2）結(jié)晶和取向第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（3）共聚和共混

共聚和共混都可使聚合物綜合兩種以上均聚物的性能，可有目的地提高聚合物的性能。

塑料與橡膠共混，提高塑料的沖擊強(qiáng)度——增韌增韌機(jī)理：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物，在應(yīng)力下誘導(dǎo)大量銀紋，從而吸收大量沖擊能。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（3）共聚和共混第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（4）增塑劑

增塑劑的加入降低了分子間的作用力，因而使材料的強(qiáng)度降低，降低值與增塑劑用量成正比。

但是增塑劑的加入同時(shí)提高了分子鏈段的運(yùn)動能力，所以其沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率提高。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（4）增塑劑第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（5）填料

聚合物的強(qiáng)度可通過在聚合物中添加增強(qiáng)劑（第二相物質(zhì)）得以提高（復(fù)合材料）。如玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂——環(huán)氧玻璃鋼，比強(qiáng)度超過高級合金鋼?；钚蕴盍希ㄔ鰪?qiáng)劑）：玻璃纖維，炭黑，碳纖維，納米增強(qiáng)。惰性填料(增量劑)：有時(shí)為了降低成本，改善其加工性等。如在聚合物中加入粉狀碳酸鈣。惰性填料往往使聚合物材料的強(qiáng)度降低。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（5）填料第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（6）受力環(huán)境的影響

主要體現(xiàn)在外力作用速率和溫度上。

在較低的溫度和較快的外力作用速率下，分子鏈運(yùn)動緩慢，跟不上外力作用，材料表現(xiàn)出脆性斷裂。

在較高的溫度和較低的外力作用速率下，分子鏈運(yùn)動較快，跟得上外力作用的速率，因此材料容易屈服而不發(fā)生脆性斷裂，材料表現(xiàn)出韌性。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（6）受力環(huán)境的影響第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第二節(jié)

玻璃態(tài)和晶態(tài)高分子的力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)高分子彈性體的力學(xué)性能第四節(jié)高分子的粘彈性第五節(jié)粘彈性數(shù)學(xué)模型第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第三章高分子固體的基本第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)高分子具有長鏈結(jié)構(gòu)和鏈段的可運(yùn)動性，賦予了高分子的鏈柔性，從而賦予了高分子材料獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)---高彈性。高分子彈性體：在室溫附近能表現(xiàn)出高彈性的高分子材料稱為高分子彈性體，也稱為橡膠。高分子彈性體廣泛應(yīng)用于日常生活，航空，運(yùn)輸工具等，研究其產(chǎn)生的機(jī)理和提高其性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)高分子具有長鏈結(jié)構(gòu)3.1高彈體的特點(diǎn)（1）彈性模量小，小應(yīng)力下形變量很大，除去外力后形變可完全恢復(fù)。（2）具有熱彈性效應(yīng)。橡膠拉伸放熱，溫度升高；回縮吸熱，溫度降低。（3）形變具有時(shí)間依賴性：形變隨時(shí)間而發(fā)展直至最大形變，是一個(gè)松弛過程。（原因：鏈段運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)）第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)3.1高彈體的特點(diǎn)第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)3.2高彈性的熱力學(xué)本質(zhì)

橡膠在拉伸和恢復(fù)形變時(shí)，內(nèi)能幾乎不變，外界所做的功主要引起熵的變化。這種只有熵的變化對彈性體的彈性有貢獻(xiàn)的性質(zhì)成為熵彈性。在外力作用下（拉伸），橡膠分子鏈由卷曲狀態(tài)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)，熵減小。當(dāng)外力移去后，由于熱運(yùn)動，分子鏈自發(fā)地趨向熵增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展再回復(fù)卷曲狀態(tài)，因而形變可逆。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)3.2高彈性的熱力學(xué)本質(zhì)橡膠在拉伸和恢復(fù)形變第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第二節(jié)

玻璃態(tài)和晶態(tài)高分子的力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)高分子彈性體的力學(xué)性能第四節(jié)高分子的粘彈性第五節(jié)粘彈性數(shù)學(xué)模型第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第三章高分子固體的基本理想彈性體（如彈簧）：在外力作用下平衡形變瞬間達(dá)到，與時(shí)間無關(guān),除去外力后形變可立刻恢復(fù)；理想粘性流體（如水）：在外力作用下形變隨時(shí)間線性發(fā)展，除去外力后應(yīng)變不可恢復(fù)。聚合物的形變與時(shí)間有關(guān)，但不成線性關(guān)系，兩者的關(guān)系介乎理想彈性體和理想粘性體之間，聚合物的這種性能稱為粘彈性。4.1粘彈現(xiàn)象第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)理想彈性體（如彈簧）：在外力作用下平衡形變瞬間達(dá)到，與時(shí)間彈

-由于物體的彈性作用使之射出去。彈簧-利用材料的彈性作用制得的零件，在外力作用下能發(fā)生形變（伸長、縮短、彎曲、扭轉(zhuǎn)等），除去外力后又恢復(fù)原狀。普通彈、粘概念第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)彈-由于物體的彈性作用使之射出去。普通彈、粘概念第粘-象糨糊或膠水等所具有的、能使一個(gè)物質(zhì)附著在另一個(gè)物體上的性質(zhì)。小分子固體–彈性小分子液體–粘性典型第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)粘-象糨糊或膠水等所具有的、能使一個(gè)物質(zhì)附著在另一個(gè)物理想彈性體：受到外力后，平衡形變瞬時(shí)達(dá)到，與時(shí)間無關(guān)→無時(shí)間依賴性，服從虎克定律：σ＝E·ε應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即應(yīng)力只取決于應(yīng)變。E：彈性模量外力→形變→應(yīng)力→儲存能量外力撤除→能量釋放→形變恢復(fù)第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)理想彈性體：受到外力后，平衡形變瞬時(shí)達(dá)到，與時(shí)間無關(guān)→無時(shí)間理想粘性體：受到外力后，形變隨時(shí)間線性發(fā)展，有時(shí)間依賴性，服從牛頓流體定律：

應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比，即應(yīng)力只取決于應(yīng)變速率

外力→形變→應(yīng)力→應(yīng)力松馳→能量耗散外力撤除→形變不可恢復(fù)第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)理想粘性體：受到外力后，形變隨時(shí)間線性發(fā)展，有時(shí)間依賴性，服彈性 粘性模量與時(shí)間無關(guān) 模量與時(shí)間有關(guān)虎克固體 牛頓流體形變回復(fù) 永久形變能量儲存 能量耗散彈性與粘性比較第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)彈性 粘性模量與時(shí)間無關(guān) 模量與時(shí)間高聚物受力產(chǎn)生的變形是通過調(diào)整內(nèi)部分子構(gòu)象實(shí)現(xiàn)的。由于分子鏈構(gòu)象的改變需要時(shí)間，因而高聚物的變形強(qiáng)烈地與時(shí)間相關(guān)，表現(xiàn)為應(yīng)變落后于應(yīng)力。除瞬間的普彈形變外，高聚物還有慢性的粘流形變，通常稱之為粘彈性。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)高聚物受力產(chǎn)生的變形是通過調(diào)整內(nèi)部分子構(gòu)象實(shí)現(xiàn)的。由于分子鏈粘彈性是高聚物的一個(gè)重要特征，粘彈性賦予高聚物優(yōu)越的性能。高聚物材料表現(xiàn)出彈性和粘性的結(jié)合在實(shí)際形變過程中，粘性與彈性總是共存的聚合物受力時(shí)，應(yīng)力

同時(shí)依賴于形變

和形變速率

，即具備固、液二性，其力學(xué)行為介于理想彈性體和理想粘性體之間。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)粘彈性是高聚物的一個(gè)重要特征，粘彈性賦予高聚物優(yōu)越的性能。若粘彈性完全由符合虎克定律的理想彈性體和符合牛頓定律的理想粘性體所組合來描述，則稱為線性粘彈性.粘彈性線性粘彈性非線性粘彈性靜態(tài)粘彈性（蠕變應(yīng)力松弛）動態(tài)粘彈（滯后內(nèi)耗）受恒定應(yīng)力或應(yīng)變的作用所受外力是周期性的變化，交變（應(yīng)變過大或時(shí)間過長，可能造成非線性）第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)若粘彈性完全由符合虎克定律的理想彈性體和符合牛頓定律的理想粘

4.2聚合物粘彈性的表現(xiàn)

蠕變——在一定溫度和恒定應(yīng)力作用下，試樣應(yīng)變隨時(shí)間的增長而增大的蠕變現(xiàn)象。應(yīng)力松弛——在一定溫度和恒定應(yīng)變條件下，試樣內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間增加而逐漸衰減的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。滯后——在一定溫度和循環(huán)交變應(yīng)力作用下，試樣的應(yīng)變落后于應(yīng)力變化的滯后現(xiàn)象。聚合物的力學(xué)性能隨時(shí)間的變化統(tǒng)稱為力學(xué)松弛。最基本的力學(xué)松弛現(xiàn)象包括蠕變、應(yīng)力松弛、滯后與內(nèi)耗等。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)

4.2聚合物粘彈性的表現(xiàn)

蠕變——在一定溫度和恒定應(yīng)力作蠕變：在恒溫下施加一恒定外力時(shí)，材料的形變隨時(shí)間而逐漸增大的力學(xué)現(xiàn)象。高聚物蠕變性能反映了材料的尺寸穩(wěn)定性。例1：軟質(zhì)PVC絲鉤一定質(zhì)量的砝碼，絲會慢慢伸長；解下砝碼，絲慢慢回縮。例2：懸掛的衣服（I)蠕變第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)4.2.1聚合物的靜態(tài)粘彈性蠕變：在恒溫下施加一恒定外力時(shí)，材料的形變隨時(shí)間而逐漸增大的（1）普彈形變：加力瞬間，鍵長、鍵角立即產(chǎn)生形變，形變直線上升。（2）滯后高彈形變：通過鏈段運(yùn)動逐漸伸展，構(gòu)象變化，使形變增大。（3）粘流形變：分子鏈之間發(fā)生質(zhì)心位移e1e2+e3t2t1tee3e1第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)蠕變曲線（1）普彈形變：加力瞬間，鍵長、鍵角立即產(chǎn)生形變，形變直線上e1

t1

t2

t

普彈形變示意圖（1）普彈形變

聚合物受力時(shí)，瞬時(shí)發(fā)生的高分子鏈的鍵長、鍵角變化引起的形變，形變量較小，服從虎克定律，當(dāng)外力除去時(shí)，普彈形變立刻完全回復(fù)。如右圖：第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)e1t1t2t普彈形變示意圖（1）普彈形變第三章高

（2）高彈形變

聚合物受力時(shí)，高分子鏈通過鏈段運(yùn)動產(chǎn)生的形變，形變量比普彈形變大得多，但不是瞬間完成，形變與時(shí)間相關(guān)。當(dāng)外力除去后，高彈形變逐漸回復(fù)。如下圖：e2

t1

t2

t

高彈形變示意圖第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（2）高彈形變e2t1t2t高彈形變示意圖第三章

（3）粘性形變

受力時(shí)發(fā)生分子鏈的相對位移，外力除去后粘性流動不能回復(fù)，是不可逆形變。e3

t1

t2

t

粘性流動示意圖第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（3）粘性形變e3t1t2t粘性流動示意圖第三(A)作用時(shí)間短(t小）:第二、三項(xiàng)趨于零，僅有理想的彈性形變（虎克彈性）ε1，形變很小,表現(xiàn)為普彈形變。(B)作用時(shí)間長(t大）:第二、三項(xiàng)大于第一項(xiàng)，當(dāng)t

，第二項(xiàng)<<第三項(xiàng),表現(xiàn)為粘性。（C)除去外力：彈性形變瞬時(shí)恢復(fù)，高彈形變逐漸恢復(fù)，粘性形變不能恢復(fù)（永久形變）。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)高分子材料受力后，三種力學(xué)行為的疊加導(dǎo)致材料的總應(yīng)變：(A)作用時(shí)間短(t?。?第二、三項(xiàng)趨于零，僅有理想的影響蠕變的因素（1）分子結(jié)構(gòu)主鏈?zhǔn)欠茧s環(huán)的剛性鏈，蠕變小。如工程塑料PPO、芳香族聚酰胺、PC、聚芳砜等。（2）分子量大小分子量大，蠕變??；分子量小，蠕變大。（3）交聯(lián)度:交聯(lián)度增大，蠕變減小。（4）結(jié)晶度:對于同種聚合物，結(jié)晶度大，蠕變小。特例：PTFE——結(jié)晶度高，蠕變大,微晶易轉(zhuǎn)動，晶體發(fā)生相對滑移。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)影響蠕變的因素（1）分子結(jié)構(gòu)第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（5）溫度和外力T《Tg，（外力過?。┚酆衔锾幱诓ＡB(tài)，所加應(yīng)力較小，發(fā)生普彈形變，ε1發(fā)生，ε2很小，ε3不能發(fā)生，蠕變很小。T

Tg，（外力適當(dāng)?shù)那闆r下）,在Tg轉(zhuǎn)變附近，鏈段在外力下可以運(yùn)動，但運(yùn)動時(shí)所受到的內(nèi)摩擦力又較大，只能緩慢運(yùn)動，蠕變能得到充分的發(fā)展，比較明顯，蠕變曲線完整。T》Tg，（外力過大）聚合物處于高彈態(tài)，鏈段運(yùn)動容易，ε2發(fā)展快，ε2大，不能稱為蠕變。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（5）溫度和外力T《Tg，（外力過?。┚酆衔锾幱诓ＡB(tài)，所

（II）應(yīng)力松弛定義：應(yīng)力松弛是指在恒定溫度和形變保持不變的情況下，聚合物內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象。

如用塑料繩綁捆東西，時(shí)間久了會變松。這是由于當(dāng)聚合物被拉長時(shí)，高分子構(gòu)象處于不平衡狀態(tài)，它會通過鏈段沿外力方向的運(yùn)動來減少或消除內(nèi)部應(yīng)力，以逐漸過度到平衡態(tài)構(gòu)象。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（II）應(yīng)力松弛第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)線形和交聯(lián)聚合物的應(yīng)力松弛交聯(lián)聚合物線形聚合物第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)應(yīng)力的衰減與時(shí)間成指數(shù)關(guān)系。應(yīng)力松弛曲線線形和交聯(lián)聚合物的應(yīng)力松弛交聯(lián)聚合物線形聚合物第三章高分子應(yīng)力松馳的原因：高分子鏈段在外力作用下順著外力方向被迫舒展，產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，與外力相抗衡。在鏈段熱運(yùn)動的過程中，調(diào)整分子構(gòu)象，以致纏結(jié)點(diǎn)散開，分子鏈產(chǎn)生相對滑移，逐漸恢復(fù)其蜷曲的原狀，內(nèi)應(yīng)力逐漸消除，與之相平衡的外力也逐漸衰減，以維持恒定的形變。交聯(lián)聚合物不產(chǎn)生質(zhì)心運(yùn)動，只能松馳到平衡值。高分子鏈的構(gòu)象重排和分子鏈滑移是導(dǎo)致材料蠕變和應(yīng)力松弛的根本原因。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)應(yīng)力松馳的原因：高分子鏈段在外力作用下順著外力方向被迫舒展，應(yīng)力松馳與溫度的關(guān)系：T《Tg：溫度過低，鏈段運(yùn)動受到內(nèi)摩擦力很大，應(yīng)力松馳極慢，短時(shí)間也不易覺察（常溫下的塑料）。T》Tg：溫度過高，鏈段運(yùn)動受到內(nèi)摩擦力小，應(yīng)力很快松馳掉了，覺察不到（常溫下的橡膠）。只有在Tg附近：聚合物的應(yīng)力松馳最為明顯。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)應(yīng)力松馳與溫度的關(guān)系：第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)應(yīng)力松馳與聚合物結(jié)構(gòu)的關(guān)系：剛性大，應(yīng)力松弛小交聯(lián)度大，應(yīng)力松弛小結(jié)晶度大，應(yīng)力松弛小第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)應(yīng)力松馳與聚合物結(jié)構(gòu)的關(guān)系：第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)動態(tài)力學(xué)性能：在周期性交變應(yīng)力作用下，聚合物表現(xiàn)出的力學(xué)行為。聚合物材料在周期性交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變或應(yīng)力隨時(shí)間的變化，更接近材料的實(shí)際使用條件。例如：許多齒輪、閥片、傳送帶、輪胎等不停地承受交變載荷作用。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)4.2.2聚合物的動態(tài)粘彈性動態(tài)力學(xué)性能：在周期性交變應(yīng)力作用下，聚合物表現(xiàn)出的力學(xué)行為滯后現(xiàn)象與內(nèi)耗

滯后：聚合物在交變外力（正弦函數(shù)）作用下，應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。動態(tài)粘彈性第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)滯后現(xiàn)象與內(nèi)耗動態(tài)粘彈性第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)對于理想的彈性體對材料施加周期性正弦變化應(yīng)力時(shí)：其應(yīng)變正比于應(yīng)力：應(yīng)力與應(yīng)變沒有相位差，外力所做的功全部以彈性能的方式儲存起來，然后又全部釋放變?yōu)閯幽?，完全恢?fù)形變，沒有能力的損耗。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)對于理想的彈性體對材料施加周第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)對于理想的粘性液體應(yīng)力與應(yīng)變有900相位差，應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比以形變的方式將外力所做的功全部損耗為熱量。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)對于理想的粘性液體應(yīng)力與應(yīng)變

滯后現(xiàn)象的發(fā)生是由于鏈段在運(yùn)動時(shí)要受到內(nèi)摩擦力的作用。當(dāng)外力變化時(shí)，鏈段的運(yùn)動跟不上外力的變化，所以落后于應(yīng)力，有一個(gè)相位差。相位差越大，說明鏈段運(yùn)動越困難。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)對于高分子聚合物---粘彈性高分子材料對施加的周期性應(yīng)力既有彈性部分的響應(yīng)，也有粘性部分的響應(yīng)。應(yīng)力與應(yīng)變之間存在有位差

。滯后現(xiàn)象的發(fā)生是由于鏈段在運(yùn)動時(shí)要受到內(nèi)摩擦力的內(nèi)耗—力學(xué)內(nèi)耗由于滯后，在每一形變周期過程中，外力所做的功就有一部分損耗成熱量，該損耗掉的能量與最大儲存能量之比稱為力學(xué)內(nèi)耗。相位差δ——又稱力學(xué)損耗角第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)內(nèi)耗—力學(xué)內(nèi)耗第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)內(nèi)耗產(chǎn)生的結(jié)果——“滯后圈”（P236)應(yīng)變應(yīng)力第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)內(nèi)耗產(chǎn)生的結(jié)果——“滯后圈”（P236)應(yīng)變應(yīng)力第三章高分拉伸時(shí)，應(yīng)變小于其應(yīng)力所對應(yīng)的平穩(wěn)應(yīng)變值，外力所做的功部分使構(gòu)象改變，部分克服鏈段的內(nèi)摩擦?；乜s時(shí)，應(yīng)變大于其應(yīng)力對應(yīng)的平衡值，體系對外做的功部分使構(gòu)象改變，部分克服鏈段間的內(nèi)摩擦阻力。這樣一個(gè)拉伸－回縮循環(huán)中，鏈構(gòu)象的改變完全回復(fù)，不損耗功，所損耗的功都用于克服內(nèi)摩擦阻力轉(zhuǎn)化為熱。內(nèi)耗產(chǎn)生的原因（P236）第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)拉伸時(shí)，應(yīng)變小于其應(yīng)力所對應(yīng)的平穩(wěn)應(yīng)變值，外力所做的功部分使(1)Tg以下，聚合物應(yīng)變僅為鍵長的改變，應(yīng)變量很小，幾乎同應(yīng)力變化同步進(jìn)行，內(nèi)耗很小。(2)溫度升高，鏈段開始運(yùn)動，玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變，但體系粘度大，運(yùn)動摩擦阻力大，內(nèi)耗較大。(3)溫度進(jìn)一步升高，雖應(yīng)變值較大，但鏈段運(yùn)動阻力減小，內(nèi)耗減小。(4)在Tg時(shí)，玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，出現(xiàn)內(nèi)耗極大值，稱內(nèi)耗峰。(5)溫度很高，在流動區(qū)，分子間質(zhì)心的位移運(yùn)動，內(nèi)摩擦阻力再次升高，內(nèi)耗急劇增加。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)溫度對內(nèi)耗的影響(1)Tg以下，聚合物應(yīng)變僅為鍵長的改變，應(yīng)變量很小，幾乎作用頻率對內(nèi)耗的影響角頻率ω高，作用頻率高（相當(dāng)T低）鏈段運(yùn)動完全跟不上應(yīng)力變化，無所謂滯后。內(nèi)耗小。角頻率ω低，作用頻率低（相當(dāng)T高）鏈段運(yùn)動完全跟得上應(yīng)力變化，無滯后。內(nèi)耗很小。角頻率ω中等，作用頻率中等，鏈段既可以運(yùn)動又不能同步跟上應(yīng)力變化，滯后明顯。內(nèi)耗出現(xiàn)極大值——內(nèi)耗峰第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)作用頻率對內(nèi)耗的影響第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第二節(jié)

玻璃態(tài)和晶態(tài)高分子的力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)高分子彈性體的力學(xué)性能第四節(jié)高分子的粘彈性第五節(jié)粘彈性數(shù)學(xué)模型第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量第三章高分子固體的基本模型由代表理想彈性體的彈簧與代表理想粘性體的粘壺以不同方式組合而成，是唯象的處理。（唯象理論不涉及任何分子結(jié)構(gòu)參數(shù)，純屬宏觀現(xiàn)象的描述）

粘彈性的數(shù)學(xué)模型

可以用虎克固體和牛頓液體線性組合進(jìn)行描述的粘彈性行為稱為線性粘彈性。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)模型由代表理想彈性體的彈簧與代表理想粘性體的粘壺以不同方式組虎克彈簧：

＝E

，描述理想彈性體的力學(xué)行為牛頓粘壺：，描述理想流體的力學(xué)行為設(shè)彈簧的模量為E粘壺內(nèi)液體的粘度為η力學(xué)元件第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)虎克彈簧：＝E，描述理想彈性體的力學(xué)行為設(shè)彈簧的模量為5.1Maxwell串聯(lián)模型將彈性模量為E的彈簧和粘度為

的粘壺串聯(lián)，即為Maxwell模型。模擬應(yīng)力松弛（線型聚合物）成功，不能模擬蠕變。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)5.1Maxwell串聯(lián)模型模擬應(yīng)力松弛（線型聚合物）理論分析：兩元件串聯(lián)，應(yīng)力相等，應(yīng)變相加

＝

彈＝

粘

＝

彈＋

粘

彈＝E

彈，

——Maxwell模型的一般運(yùn)動方程式第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)總應(yīng)變速率理論分析：——Maxwell模型的一般運(yùn)動方程式第三章高蠕變分析牛頓流體即Maxwellelement描述的是理想粘性體的蠕變響應(yīng)。不能描述聚合物蠕變過程。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)蠕變分析應(yīng)力松弛分析考慮在應(yīng)力松弛過程中總的形變固定不變則有：即應(yīng)力松弛過程中應(yīng)力是按時(shí)間指數(shù)函數(shù)的關(guān)系衰減，松馳過程同時(shí)存在粘性和彈性的結(jié)果。：松弛時(shí)間Maxwell模型可以模擬線形聚合物的應(yīng)力松馳行為，時(shí)間無窮大時(shí)，應(yīng)力趨于零，模量趨于零。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)應(yīng)力松弛分析考慮在應(yīng)力松弛過程中總的形變固定不變則有：即應(yīng)力松弛時(shí)間物理含義應(yīng)力松弛到初始應(yīng)力的0.368倍時(shí)所需的時(shí)間稱為松弛時(shí)間。當(dāng)應(yīng)力松弛過程完成63.2%所需的時(shí)間稱為松弛時(shí)間。Whent=

第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)松弛時(shí)間物理含義應(yīng)力松弛到初始應(yīng)力的0.368倍時(shí)所需的時(shí)間（1）采用Maxwell模型可以模擬線形聚合物的應(yīng)力松馳行為（定性）。（2）對交聯(lián)聚合物不適用，因?yàn)榻宦?lián)聚合物的應(yīng)力不可能松弛到零。（3）無法描述聚合物的蠕變。Maxwell描述的是理想粘性體的蠕變響應(yīng)。第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)（1）采用Maxwell模型可以模擬線形聚合物的應(yīng)力松馳行為Kelvin模型，彈簧和粘壺并聯(lián)，模擬交聯(lián)聚合物的蠕變。

＝

彈＋

粘；

＝

彈＝

粘

應(yīng)力相加，應(yīng)變相等——kelvin模型的運(yùn)動方程式5.2Kelvin模型第三章高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)Kelvin模型，彈簧和粘壺并聯(lián)，模擬交聯(lián)聚合物的蠕變。（1）Kelvin模型基本上可以模擬交聯(lián)聚合物的蠕變行為(無拉伸瞬間的普彈形變）。（2）無法描述聚合物的應(yīng)力松弛。描述的是理想彈性體的應(yīng)力松弛。（3）不能反映線形聚合物的蠕變，因?yàn)榫€形聚合物蠕變中有鏈的質(zhì)心位移，形變不能完全回復(fù)。第三章高分子固體的