第六章---聚合物的力学性能.pptVIP

（一）聚合物的理论强度和实际强度 从分子水平来看，聚合物之所以具有强度，主要靠分子内的化学键合力，分子间的范德华力和氢键。在理想的（均一的，无缺陷）情况下，可从微观角度对聚合物的理论强度做出估计。聚合物断裂时其内部结构的破坏可以归纳为以下三种情况： 如（a）所示，分子链按平行受力方向整齐排列，断裂时断面的化学键同时被破坏，可由键能数据粗略估计材料的理论强度： σ=350x103x5x1018/6.023x1023x1.5x10-10 ≈1.9x1010(Pa) 实际上高分子材料即使高度取向，结晶，σ实 σ理 如（b）所示，材料断裂完全是由分子间滑脱造成的，那么就要破坏分子链尺寸范围内的范德华力或氢键。对于分子间有氢键的聚合物及仅有范德华力的聚合物，经计算可得，总的mol内聚能分别比共价键能大十倍以上及好几十倍，所以，断裂完全是由分子间的滑脱是不可能的。 如图（c）所示，所有分子都按垂直于受力方向排列，只需要克服断面部分的分子间力即可产生破坏。根据氢键和范德华力的解离能和作用范围，可以计算破坏一个氢键和一对范德华力键所需要的拉伸力，从而计算拉伸强度分别为4.0x108pa和1.2x108pa，它们与高取向纤维的纵向拉伸强度实测值在同一数量级。 根据以上分析可以得出如下结论： 1、σ实 =（1/100～1/1000）σ理 （不可能理想取向，应力分布不均匀，断裂的不同时性，即缺陷引起的应力集中及分子链的无序程度） 2、断裂过程首先在应力较大的区域发生分子间力的破坏，继之发生部分化学键的断裂，最后引起整个材料的破坏。 3、合理的设计高分子材料的结构，减少应力集中现象，可有效的提高材料的实际强度，其发展潜力是巨大的。 （二）、脆性断裂理论 在固体聚合物的任何实际应用和工程应用中，断裂条件必然是设计和使用的极限。研究强度的中心课题就是探讨断裂的机理和材料微观结构对断裂过程的影响，断裂理论能够描述断裂的机理和探讨断裂发生的条件，从而获得材料使用安全的保证和提高强度的途径。断裂理论分为以裂缝为基础的宏观断裂理论和以分子为基础的微观断裂理论。 1、断裂的裂缝理论 实践证明，材料的表面和内部缺陷总是存在的。该理论认为，这些缺陷会使应力集中于尖端，当它达到和超过某一临界条件时，裂缝失去稳定性而扩展，最终在低的应力下引起材料的断裂。 （1）裂缝的应力集中效应 由经验知，有裂缝的材料极易开裂，而且裂缝的锐度对裂缝的扩展有很大的影响，因为尖锐裂缝尖端处实际应力相当大。 （2）格里菲思（Griffith）断裂 ——确定断裂的临界应力→发生断裂的必要条件和充分条件 Griffith从能量平衡的观点研究了断裂过程，认为：①断裂要产生新表面，产生新表面所需要的表面能=材料内部弹性储能的减少；②弹性储能在材料中的分布是不均匀的，在其裂缝附近集中了大量的弹性储能，致使材料在裂缝处先行断裂。裂缝失去稳定性的条件为： -?ε/?A=q （*） 式中，ε—材料中的内储弹性能；A—裂缝面积； -?ε/?A—每扩展单位面积裂缝端点附近所释放出的弹性能，称为能量释放率，是驱动裂缝扩展的原动力。该值与应力的类型，大小，裂缝尺寸，试样几何形状等有关；q—产生每单位面积裂缝的表面功，反映材料抵抗裂缝扩展的一种性质。 2b 2a σ0 σ0 r θ 均匀拉伸的无限大薄板上的椭圆裂缝 对无机玻璃，陶瓷等脆性材料其裂缝周围应力分布得： 式中a—无限大薄板上裂缝长度之半，σ—张应力，E—材料的弹性模量 把（**）代入（*）得到引起裂缝扩展的临界应力σc （* *） Griffith又假定脆性材料无塑性流动，裂缝增长所需要的表面功仅与表面能γs有关。 q=2γs σc=（ 2γsE/πa）1/2 此式即为著名的脆性固体断裂的Griffith能量判据方程，又称能量准则。