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第九章 聚合物材料的力学性能 * * 材料力学性能Mechanical Properties of Materials 南京航空航天大学 材料科学与技术学院 §9.1 线型非晶态聚合物的变形 §9.3 聚合物的粘弹性 §9.2 结晶聚合物的变形 §9.4 聚合物的强度与断裂 §9.5 聚合物的疲劳强度 高分子材料(聚合物或高聚物)具有大分子链结构和特有的热运动，这就决定了它具有与低分子材料不同的物理性态。高分子材料的力学性能与低分子材料的也有所不同，其最大特点是它具有高弹性和粘弹性。 在外力和能量作用下，比金属材料更为强烈地受到温度和载荷作用时间等因素的影响。因此，高分子材料的力学性能变化幅度较大。本章主要论述高分子材料的主要力学性能特点。 分子质量大于1万以上的有机化合物称为高分子材料。它是由许多小分子聚合而成，故又称为聚合物或高聚物。 原子之间由共价键结合，称为主价键； 分子之间由范德瓦尔键连接，称为次价键。 分子间次价键力之和远超过分子中原子间主价键的结合力。拉伸时常常先发生原子键的断裂。而不是分子链之间的滑脱。  聚合物的小分子化合物称为单体，组成聚合物长链的基本结构单元则称为链节。 聚合物长链的重复链节数目，称为聚合度。 天然的聚合物有 木材、橡胶、棉花、丝、毛发和角等。 人工合成聚合物有工程塑料、合成纤维、合成橡胶等。 高分子材料 相对分子质量大于10000的有机化合物。 聚合物的三种典型结构 a) 线状非交联的纤维分子 b) 三维交联的分子链 c) 部分晶化非交联分子链的配置 聚合物的物理、力学性能特点 1. 密度小 聚合物是密度最小的工程材料，其密度一般在1.0~2.0g/cm3之间。是钢的1/4、陶瓷的1/2。重量轻、比强度大是聚合物的突出优点。 2. 高弹性 高弹态的聚合物其弹性变形量可达到100％~1000%，一般金属材料只有0.1~1.0％。 聚合物的物理、力学性能特点 3. 弹性模量小 聚合物约弹性模量约为0.4~4.0GPa，而金属则为30～300GPa。（刚度差），因此刚度差。 4. 粘弹性明显 聚合物的高弹性对时间有强烈的依赖性，室温下即会产生明显的蠕变变形及应力松弛。 §9.1 线型非晶态聚合物的变形 定义：线型非晶态聚合物 指结构上无交联、聚集态无结晶的高分子材料。 这类聚合物的力学行为随温度不同而变化，可处于玻璃态、高弹态和粘流态三种力学状态。 温度 A B C D E O tb tg tf 形变 tb一脆化温度 tg一玻璃化温度 tf一粘流温度 玻璃态下的变形 ＜tb 聚合物处于硬玻璃态。 只有弹性变形阶段，且伸长率很小。靠主键 键长的微量伸缩和微小的键角变化来实现弹 性变形。也为普弹性变形。 tbttg 聚合物处于软玻璃态。 a’点以下为普弹性变形； a’s段变形是由于外力作用迫使链段运动所引 起的，是为受迫高弹性变形。 去除外力后，温度在tg以下，受迫高弹性变形可保留来，可达300％～1000 ％。在tg温度以上，这种变形可以消除。 在s点屈服后，应力一般会有所下降。试样截面积减小，分子链沿外力方向取向。 塑性变形抗力增大，应力一应变曲线复又上升，直至断裂。 玻璃态下的变形 聚合物在高弹态下的变形 tg＜t＜tf 高弹性 其弹性变形量可达1000％，而其弹性模量E值却只有0.1～1GPa，约为钢的1／10。 链段的运动，引起分子构象的变化。 原卷曲的链沿拉力方向伸长，宏观上表现为很大的弹性变形。去除外力后，接点及扭结的趋势使聚合物链又回复至卷曲状态，宏观变形消失(回复过程需要一定时间)。 聚合物在高弹态下的变形 tg＜t＜tf 高弹性 如果聚合物链的交联接点过多，会使交联点 间的链段变短、降低链段的活动性(柔性)， 使弹性下降以至消失，此时，弹性模量和硬 度增加。 聚合物在粘流态下的变形 ＞tf 粘流状态 分子链在外力作用下可进行整体相对滑动，呈粘性流动，导致不可逆永久变形。聚合物处于粘流状态。 聚合物在粘流态下可具有部分弹性，其弹性变形符合虎克定律，呈线性粘弹性行为。因为卷曲的分子链在受载时可暂时伸长，卸载后又重新卷曲。 §9.2 结晶聚合物的变形 结晶态聚合物由于晶区内的链段无法运动，因此结晶度高的聚合物不存在高弹性，但具有较高的