第十章 高聚物的力学性质.ppt

第十章 高聚物的力学性质 * 玻璃态和结晶态高聚物的力学性质 高弹态高聚物的力学性质 高聚物的力学松弛——粘弹性 玻璃态和结晶态高聚物的力学性质 基本物理量 1）应力 当材料受到外力作用平衡时，附加内力和外力相等，单位面积上的附加内力（外力）称为应力。 2）应变 当材料受到外力作用而所处的条件却使其不能产生惯性位移，材料的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化就称为应变。 牛顿/米2 、Pa、达因/厘米2等 3）弹性模量 对于理想的弹性固体，应力和应变服从虎克定律，即应力和应变成正比，比例常数称为弹性模量。 材料抵抗变形能力的大小、模量越大，越不易变形，表示材料的刚度越大。 三种基本的应变类型 1）简单拉伸—— 相对应的模量为杨氏模量E 材料受到的外力是垂直于截面积的，大小相等，方向相反，作用在一条直线上的力。 拉伸应变： 习用应力： 真应力： 真应变： 2）简单剪切——相对应的模量为剪切模量G 材料受到的力与截面平行，但不在同一直线上，大小相等、方向相反。 3）均匀压缩——相对应的模量为体积模量B 材料受到周围压力P的作用，发生体积变形。 对于各向同性材料： 为泊松比（定义：在拉伸实验中，材料横向单位宽度的减小与纵向单位长度的增加之比值。 理想不可压缩体变形时，体积不变。 大多数材料在变形时，有体积变化，拉伸时发生膨胀。泊松比0.2-0.5 橡胶和小分子液体的泊松比接近0.5。 理论上泊松比的范围为0-0.5，B的变化范围E/3— G的变化范围E/2—E/3 对于各向异性的材料，情况复杂，在此不讨论。 常用的力学性能指标 拉伸强度 在规定试验温度、湿度和试验速度下，在标准样上沿轴向施加拉伸载荷，直至拉断为止，断裂前试样所承受的最大载荷P与试样的宽度b和厚度d的乘积的比值。 硬度 衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。 冲击强度——衡量材料韧性的一种强度指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力。定义为试样受冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。 几类高聚物的拉伸行为 玻璃态高聚物的拉伸 屈服应力、断裂应力、断裂伸长率 脆性断裂（材料屈服之前发生的断裂）、韧性断裂（材料屈服之后发生的断裂） 玻璃态高聚物的强迫高弹形变 结晶高聚物的拉伸 强迫高弹形变 第一阶段：应力随应变线性增加，试样被均匀地拉长，伸长率为百分之几-十几。出现“细颈” 第二阶段：应力-应变曲线表现为应力不变、应变增加 第三阶段：成颈后的试样重新被均匀拉伸，应力随应变的增加而增大至断裂点。 影响高聚物强度的因素 因素分为两类： 一是与材料本身有关的，包括高分子的化学结构、分子量及其分布、支化和交联、结晶与取向、增塑剂、共混、填料、应力集中物等。 二是与外界条件有关的，包括温度、湿度、光照、氧化老化、作用力的速度等。 高弹态高聚物的力学性质 橡胶的使用温度范围 改善高温耐老化性能，提高耐热性 降低Tg，避免结晶，改善耐寒性 1）改变橡胶的主链结构 2）改变取代基的结构 高弹性的特点 弹性模量很小、形变量很大 形变需要时间 ——克服分子间的作用力和内摩擦力 橡胶受到外力压缩或拉伸时，形变是随时间而发展的，最后达到最大形变，该现象为蠕变。 拉紧的橡皮会逐渐变松，这种应力随时间而下降或消失的现象称为应力松弛。 蠕变和应力松弛统称为力学松弛。 形变时有热效应——熵减 橡胶类物质的形变为高弹形变（常温下橡胶的长链分子处于蜷曲状态） 温度升高时，分子链内各部分的热运动比较激烈，回缩性增大，导致橡胶类物质的弹性模量随温度的上升而增加。 高聚物的力学松弛-粘弹性 高聚物的力学松弛现象 力学松弛：高聚物的力学性质随时间的变化。 根据高分子材料受到外部作用的情况不同，可以观察到不同类型的力学松弛现象，最基本的有：蠕变、应力松弛、滞后、力学损耗等。 蠕变——指在一定的温度和较小的恒定外力（拉力、压力或扭 力等）作用下，材料的形变随时间的增加而逐步增大的现象。 包括普弹形变、高弹形变和粘性流动。 应力松弛 定义：在恒定温度和应变保持不变的情况下，聚合物内部的 应力随时间增加而逐渐衰减的现象。 是起始应力 是松弛时间 滞后现象 定义：聚合物在交变应力作用下，应变落后于应力的现象。 产生滞后的原因： 外力作用时，链段运动要受到内摩擦阻力的作用，外力变化时链段运动跟不上外力的变化，ε落后于σ。 力学损耗 * * *