33 高分子材料的力学性能聚合物作为材料必须具备所需要的力学强度.ppt

Charpy test (夏比冲击试验 ) * 3.3 高分子材料的力学性能 聚合物作为材料必须具备所需要的力学强度。对大多数高分子材料，力学性能是最重要的性能。聚合物的力学特性是由其结构特性所决定的。 3.3.1 力学性能的基本指标 应力与应变 材料受到外力作用而又不产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化 材料宏观变形时，其内部分子及原子间发生相对位移，产生分子间及原子间对抗外力的附加内力，达到平衡时，附加内力与外力大小相等，方向相反。定义单位面积上的内力为应力。 弹性模量 单位应变所需应力的大小。刚性 硬度 材料表面抵抗机械压力的指标 强度 而一般固体的模量随温度的提高而下降。 3.3.2 高弹性能 特点 高弹性是高分子材料极重要的性能。以高弹性为主要特征的橡胶，是一类极其重要的高分子材料。 一般材料，形变量最大为l ％左右，而橡胶的高弹形变很大，可拉伸5 -10 倍。橡胶的弹性模量则只有一般固体物质的万分之一左右。 (2)弹性模量与绝对温度成正比， (3)形变时有热效应，伸长时放热，回缩时吸热。 (4)在一定条件下，高弹形变表现明显的松弛现象。 (1)弹性模量小、形变大。 柔顺的分子链总是自发地处于卷曲状态。 在外力作用下，迫使分子链在外力方向上从优排布。 热运动力图使分子链无序化，以便使其回复到卷曲状态。 橡胶在外力不大时就可以发生较大的形变，致使其弹性模量很小。 3.3.3 粘弹性能 聚合物既有粘性又有弹性的性质，实质是聚合物的力学松弛行为。 松弛现象是热运动对聚合物分子取向的影响。形变及形变的回复要克服大分子内及分子间的相互作用力，因而需要一定的时间去完成。 在固定的应力（或应变）下形变（或应力）随时间延长而发展的性质。典型的表现是蠕变和应力松弛。 静态粘弹性 在一定温度、一定应力作用下，材料的形变随时间的延长而增加的现象 在温度、应变恒定的条件下，材料的内应力随时间延长而逐渐减小的现象称为应力松弛。 动态粘弹性 3.3.3 粘弹性能 在应力周期性变化作用下聚合物的力学行为，也称为动态力学性质。（滞后和内耗） 粘弹模型 弹簧与粘壶组合而成的模型 (a) Maxwell模型；(b)Voigt模型 (b) (a) 由于高分子链段运动受阻于内摩擦力，应变跟不上应力的变化。轮胎、传送皮带、塑料齿轮等。 克服内摩擦阻力转化为热。 解释应力松弛现象 蠕变 3.3.4 聚合物的力学屈服 聚合物冷拉曲线及试样外形变化示意图 虎克弹性行为 屈服点 细颈现象 拉伸强度 断裂伸长率 OA BC CD DE E 普弹形变 强迫高弹形变 粘流 冲击破坏是塑料构件及制品常见的破坏形式。 在很大程度上取决于试样缺口的特性。 除与聚合物本身的结构、取向情况、结晶度、添加填料、增塑剂等有关外，尚与载荷速率及温度等外界条件有关。 3.3.5 聚合物的力学强度和断裂  理论强度比实际强度高出几十倍乃至上百倍。弹性模量的实际值与理论值是比较接近的。 聚合物实际强度远低于理论强度的原因在于结构的不完全均匀。 聚合物结构中存在各种大小不一的缺陷，引起应力的局部集中。应力集中到少数化学键上，使这些键断裂，产生裂缝，最后导致材料的破裂。 在有钝缺口的试验中，PVC 的抗冲击强度大于ABS 。对试样带有尖锐缺口的情况，ABS 的抗冲击强度大于PVC 。 抗张强度 抗冲击性能 聚合物的破坏过程中有松弛的特点 摩擦与磨耗是聚合物重要的力学性能，对橡胶轮胎设计十分重要。在织物制造中，纤维之间的摩擦也很重要。 3.3.6 摩擦与磨耗 磨耗与摩擦是同一现象的两个方面。粘合和嵌入的形变均可因剪切而使材料从较软的表面磨去，这称为磨耗，因此，磨耗和摩擦是紧密相关的。 3.3.7 疲劳强度 聚合物材料在周期性交变应力作用下会在低于静态强度的应力下破裂，这种现象称为疲劳现象。经N 次反复应力作用后，材料的疲劳强度σa为 材料的静态强度 在一定负荷的反复作用下，材料的疲劳寿命随聚合物分子量的提高而增加。 对于热塑性聚合物，疲劳极限约为静强度的1/4 ，对增强聚合物材料，此比值稍大一些。 3.4 高分子材料的物理性能 导热性：聚合物一般是靠分子间力结合的，导热性一般较差。 热膨胀性：比金属及陶瓷大，膨胀系数随温度的提高而增大。 热性能 比热容：高分子材料的比热容主要是