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第八章聚合物的力学性能-1讲述
* 第八章 聚合物的力学性能 本章的重点和难点: 1、聚合物的高弹性 1.) 聚合物高弹性的特征 2.) 影响聚合物高弹性的因素 2、聚合物的粘弹性 1.) 定义 2.) 聚合物的粘弹性几种表现的特征 3、应力应变曲线 4、时温等效原理 5、影响聚合物力学强度的因素 材料性能:指材料在外部各种刺激作用下的响应特性; 其中力学性能是最基本和最重要的性能,即材料 在外力作用下的形变和破坏特性 易流动液体 粘稠 液体 橡胶 韧性塑料 结晶固体 部分结晶塑料 分子量 Tm Tg 聚合物分子量、Tg和Tm与性能的关系: 第一节 力学性质的基本物理量 一、应变与应力 形变:材料在外力作用下,其几何形状和尺寸所发生 的变化-应变 材料在外力作用下发生形变的同时,内部还会产生对抗外力的附加内力,以使材料保持原状;外力消除后,内力就会使材料回复原状并自行逐步消除;外力与内力达到平衡时,内力与外力大小相等方向相反 应力:单位面积上的内力 (牛顿/米2) 形变形式分类:拉伸、剪切和压缩 1、简单拉伸 (drawing) 材料受到一对垂直于材料截面、大小相等、方向相反并在同一直线上的外力作用,如图 拉伸应变:材料在拉伸作用下产生的形变-相对伸长率(e) A0 l0 l D l A F F 拉伸应力? = F / A0 (A0为材料的起始截面积) 拉伸应变(相对伸长率)e = (l - l0)/l0 = Dl / l0 2、简单剪切(shearing) 材料受到与截面平行、大小相等、方向相反,但不在一条直线上的两个外力作用,使材料发生偏斜;其偏斜角的正切值定义为剪切应变(?) 剪切应变? = tg ? 剪切应力?s = F / A0 A0 F F ? 3、均匀压缩(pressurizing) 压缩应变(?v):材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变 V0 V0-ΔV F 压缩应变:?v = DV / V0 4、扭转(torsion) F F 5、弯曲(bending) 对材料施加一弯曲力矩,使材料发生弯曲;主要有两种形式: F 一点弯曲 (1-point bending) F 三点弯曲 (3-point bending) 二、弹性模量与柔量 弹性模量=应力/应变 拉伸模量(杨氏模量)E:E = ? / ? 剪切模量(刚性模量)G:G = ?s / ? (?=S/D=tgθ) 体积模量(本体模量)B:B = p / ?v (?v = DV / V0) 硬度:衡量材料表面承受外界压力能力的一种指标 机械强度:衡量材料抵抗外力破坏的能力,是指在一 定条件下材料所能承受的最大应力 包括:抗张强度、抗弯强度及冲击强度 第二节 聚合物的高弹性 高弹性:聚合物在不大的外力作用下,可以产生很大 的形变,除去外力后形变几乎完全恢复的特性 橡胶:室温附近处于高弹态的高分子材料 一、聚合物高弹性的特征 1、聚合物高弹性特征 1.) 弹性模量小,形变量很大; 2.) 形变需要时间:形变随时间而发展直至最大形变; 3.) 橡胶受拉伸会发热; 4.) 具有明显的松弛特性 外力作用下高分子线团伸展示意图: 2、高弹性的本质 高弹性由熵变引起,在外力作用下,橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态,熵减小;当外力移去后,由于热运动,分子链自发地趋向熵增大的状态,分子链由伸展再回复卷曲状态,因而形变可逆 3、高弹形变与普通固体弹性形变的不同 1.) 高弹形变是高分子链沿外力方向由卷曲到伸展,外 力克服的是链段热运动回复到最可几构象的力;普 通固体的弹性形变是键角的扩张、价键的伸长,它 需要的能量比高分子链的伸长大得多;故橡胶的弹 性模量要比普通固体的模量低3~4个数量级 2.) 温度升高后,链段的热运动更趋剧烈,对抗外力的 回缩力就增大,形变相对减少;因此橡胶的模量随 着温度升高而增大 二、高弹性聚合物的结构特征 高弹性是长链高分子独有的特性,长链高分子是聚合物高弹性的最基本条件,但不是充分条件 1、分子链的柔性 分子量足够高的柔性链具有良好的高弹性,故橡胶态聚合物都是内旋转比较容易、位垒低的柔性高分子;如聚二烯烃、聚有机硅氧烷 2、分子间相互作用力 分子间的相互作用力愈大,高弹性就愈差 3、分子间的交联 分子间作用力比较小的聚合物,在形变过程中,高分子链易产生相对滑移,呈粘性流动,产生永久形变;为了防止这种永久形变,橡胶需要进行硫化,使大分子链间相互交联,形成疏松的网格,而交联密度决定了高弹形变的大小
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