高聚物的力學(xué)性能.ppt

1、1.第五章：聚合物的力學(xué)性能，聚合物材料在外力作用下的變形和破壞特征；2.高分子材料特點(diǎn)：易于加工成型；適應(yīng)性廣；塑料和纖維的比強(qiáng)度高；橡膠的彈性變形大；對外力的反應(yīng)取決于時間和溫度。描述聚合物材料機(jī)械性能的參數(shù)：應(yīng)力、應(yīng)變、時間、溫度、3、5.1機(jī)械性能的基本物理量、1應(yīng)力和應(yīng)變，應(yīng)力：定義單位面積的附加內(nèi)力(單位面積的外力)，其單位為牛頓米。應(yīng)力模式和變形形式：拉伸，剪切和壓縮，簡單拉伸，4，均勻壓縮，簡單剪切，5，2理想彈性體模量，簡單拉伸和楊氏模量，拉伸：垂直于橫截面的力f，楊氏模量E:6，6b簡單剪切和剪切模量，泊松比：在拉伸中，材料的橫向單位寬度減小，縱向單位長度增加。剪切力：平行

2、于橫截面的力f，剪切應(yīng)力：剪切應(yīng)變：剪切模量G:橡膠和液體的泊松比接近0.5，7，均勻壓縮和體積模量，流體靜壓力3360，單位體積的體積減少：體積模量：8，0。1線性非晶聚合物材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變的典型曲線、o、5.2.1線性非晶聚合物材料的拉伸、9、典型應(yīng)力彈性極限點(diǎn)a o-a彈性變形彈性極限應(yīng)力y屈服點(diǎn)a-y強(qiáng)制高彈性變形屈服應(yīng)力y斷裂點(diǎn)t y塑性變形斷裂應(yīng)力t斷裂點(diǎn)t y后，典型伸長率：彈性極限伸長率y屈服伸長率y斷裂伸長率t，10，2強(qiáng)制高彈性變形特性：(1)強(qiáng)制高彈性變形的溫度介于Tg和脆性點(diǎn)溫度Tb之間。(2)受迫高彈性變形發(fā)生后不能自動恢復(fù)，但當(dāng)溫度升至Tg以上時可以自動恢復(fù)。(

3、3)高分子鏈的柔韌性、分子量和外力作用時間都影響強(qiáng)制高彈性變形的發(fā)生。11，3溫度對聚甲基丙烯酸甲酯拉伸應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響，12，5.2.2拉伸過程中結(jié)晶聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和形狀變化，13，均勻伸長率，均勻伸長率，細(xì)頸，細(xì)頸發(fā)展，片段取向，見圖5-8，14，5.2.3聚合物拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型，5.2.4聚合物材料的斷裂，1脆性斷裂和延性斷裂，脆性斷裂和延性斷裂的區(qū)分：脆性斷裂3360屈服前斷裂；斷口光滑；缺口沖擊強(qiáng)度小于2kJ/m2，屈服后斷裂為：斷口粗糙，有外延變形；缺口沖擊強(qiáng)度大于2kJ/m2，脆性斷裂是材料使用中不希望出現(xiàn)的情況！16，17，2影響脆性斷裂和延性斷裂的因素，在

4、拉伸條件下，脆性斷裂易發(fā)生在33，360的低溫下，隨溫度的升高可轉(zhuǎn)變?yōu)檠有詳嗔眩?8、延性斷裂易發(fā)生在33，360的低變形速率下，脆性破壞可能是由33，360的C應(yīng)力模式的沖擊引起的；低速拉伸、剪切和壓縮力容易導(dǎo)致延性破壞。d缺口敏感性：缺口可將材料從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?應(yīng)力集中發(fā)生在缺口頂部)。19，B，脆性斷裂應(yīng)力隨著分子量的增加而增加，這有利于韌性斷裂。在分子取向方向上，聚合物的脆性斷裂應(yīng)力迅速增加，使材料在取向方向上增韌，但在垂直于取向的方向上容易發(fā)生脆性斷裂。剛性側(cè)基增加屈服應(yīng)力和脆性斷裂應(yīng)力，而柔性側(cè)基降低屈服應(yīng)力和脆性斷裂應(yīng)力。20，交聯(lián)可以增加屈服應(yīng)力，但不會增加脆性斷裂應(yīng)

5、力。因此，隨著交聯(lián)密度的增加，聚合物材料的脆性也增加。塑化可以提高聚合物材料的韌性。21，3銀條紋和剪切帶，當(dāng)玻璃態(tài)聚合物變形到約0.5度時，它開始顯示局部塑性變形，或形成銀條紋，然后發(fā)展成裂紋，導(dǎo)致脆性斷裂，或形成剪切帶和韌性斷裂；銀顆粒無定形聚合物，在拉伸二次應(yīng)力的作用下，許多微孔出現(xiàn)在垂直于應(yīng)力的平面上，形成類似于玻璃和陶瓷材料中的裂紋的裂紋顆粒外觀，肉眼呈銀色，稱為銀顆粒。22，23，裂紋和裂紋之間的區(qū)別：裂紋的兩個開放表面之間的間隙是完全空的，并且裂紋包含取向聚合物(40。60v)，由銀顆粒中高度取向的聚合物形成的微纖維束防止微孔進(jìn)一步增加。銀顆粒在壓縮或退火熱處理后會收縮或消失。2

6、4，銀粒是高度反光的，但銀粒是透明的。銀紋的發(fā)生與應(yīng)力和速度、高分子材料的分子取向、熱歷史和液體介質(zhì)有關(guān)。25，b剪切帶，當(dāng)聚合物在剪切力的作用下被局部應(yīng)變軟化時，在材料中形成向應(yīng)力方向傾斜的剪切帶。剪切帶的形成和發(fā)展不僅與聚合物的化學(xué)組成有關(guān)，還與應(yīng)力和溫度有關(guān)。隨著應(yīng)力和溫度的增加，剪切帶的生長速率也增加，這表明剪切帶的生長是一個應(yīng)力激活和溫度激活的過程。27，5.4高分子材料的強(qiáng)度，5.4.1高分子的理論強(qiáng)度，高分子的理論強(qiáng)度為1520兆帕，實(shí)際強(qiáng)度值為0.020.1千兆帕。聚乙烯的理論強(qiáng)度估計為19兆帕，而普通聚乙烯的強(qiáng)度僅為0.03千兆帕左右，缺陷引起的應(yīng)力集中和分子鏈的無序程度，2

7、8，5.4.2高分子的主要機(jī)械強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度(斷裂強(qiáng)度)為：靜態(tài)拉伸載荷施加在拉伸機(jī)上，當(dāng)拉伸機(jī)斷裂(斷裂)時的載荷為t，t=p/bd斷裂伸長率33，360t=(l-l0)/l0，29，30，彎曲強(qiáng)度33，360。用簡單的支撐方法將樣品放在兩個支撐點(diǎn)上，試著在兩個支撐點(diǎn)之間的樣品上施加集中載荷，使其變形，直到載荷失效。它是材料韌性和脆性的量度。簡支梁彎曲試驗(yàn)示意圖，31，沖擊強(qiáng)度：材料夏比沖擊試驗(yàn)示意圖，32，5壓縮強(qiáng)度：疲勞強(qiáng)度：當(dāng)交變循環(huán)外力施加到樣品上時，樣品承受循環(huán)應(yīng)力并產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)變，這會削弱或破壞樣品的機(jī)械性能。疲勞強(qiáng)度反映了聚合物抵抗裂紋的能力。33、5.4.3聚合物結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度的影

8、響、主鏈的剛性、鏈間的作用力以及分子鏈結(jié)構(gòu)的規(guī)整性都有利于提高強(qiáng)度和模量。當(dāng)分子量小于有效鏈段的分子量時，增加分子量并提高強(qiáng)度；當(dāng)分子量大到足以超過有效鏈段的分子量時，強(qiáng)度基本上與分子量無關(guān)。當(dāng)分子量分布變寬時，強(qiáng)度降低，斷裂伸長率增加。34、丁基橡膠35、交聯(lián)：的強(qiáng)度與分子量的關(guān)系適度的交聯(lián)可以有效地增加分子鏈之間的聯(lián)系，使分子鏈的相對滑動強(qiáng)度和彈性模量不易增加。36.結(jié)晶可以提高聚合物的強(qiáng)度。在平行于分子取向的方向上，拉伸強(qiáng)度和模量增加，斷裂伸長率也增加。定向材料可以從脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性材料，韌性材料具有屈服點(diǎn)，但是在垂直于定向的方向上的拉伸強(qiáng)度和彈性模量低于定向之前的拉伸強(qiáng)度和彈性模量。

9、雙軸取向使脆性聚合物成為韌性材料，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率都有所提高。結(jié)晶區(qū)相當(dāng)于物理交聯(lián)，取向可以導(dǎo)致結(jié)晶。37.雙向拉伸和無拉伸塑料薄膜機(jī)械性能的比較38.5.4.4材料成分和結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度的影響。在聚合物中適當(dāng)添加填料可以提高強(qiáng)度。它在塑料中被稱為增強(qiáng)劑(纖維)，在橡膠中被稱為增強(qiáng)劑(炭黑)。有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、單晶纖維(晶須)以及聚酯、尼龍和芳綸等有機(jī)纖維。炭黑顆粒表面的許多活性基團(tuán)與橡膠分子形成化學(xué)交聯(lián)和物理吸附。共聚和共混是提高高分子材料沖擊強(qiáng)度的重要途徑。如果聚苯乙烯是脆性的，如果丙烯腈和丁二烯單體接枝到苯乙烯中得到丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，聚苯乙烯的沖擊強(qiáng)度將大大提高。41、應(yīng)力集中：聚合物材料通常具有缺陷(雜質(zhì)、空隙、裂紋、裂紋、嵌入物、缺口)等。當(dāng)受到應(yīng)力時，缺陷區(qū)域的應(yīng)力通常大大超過平均應(yīng)力值，這被稱為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中會降低材料的強(qiáng)度。42。溫度和變形率為：提高溫度對斷裂過程的影響與降低變形速率相同。聚合物的失效過程是一個松弛過程。在較低的變形速率或較高的溫度下，由于鏈段的運(yùn)動能跟上外力的速率，材料在較低的外力下屈服，而斷裂強(qiáng)度較低的材料變得柔軟而堅(jiān)韌。43，材料斷裂包絡(luò)，應(yīng)力將脆