高分子的力學(xué)性能

1、Polymer PhysicsPolymer PhysicsPolymer Physics高分子物理高分子物理高分子物理高分子物理高分子物理高分子物理Mechanical PropertiesTensile 拉伸n拉伸強度，拉伸（楊氏）模量，斷裂伸長率，屈服強度，100定伸應(yīng)力Impact 沖擊n懸臂梁，簡支梁，落錘n缺口，無缺口Banding 彎曲n強度，模量Friction 摩擦n摩擦系數(shù)，磨損量Stress-strain curve 應(yīng)力-應(yīng)變曲線0AF000lllllTensile stressTensile strainTrue stress 拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)變真應(yīng)力A0FFl0 ll

2、AFATypical stress-strain curveY: yield pointB: break pointYoungs Modulus 屈服點斷裂點楊氏模量byby0YBy: yield strength 屈服強度b: break strength 斷裂強度y: elongation at yield 屈服伸長率y: elongation at break 斷裂伸長率Tensile strength 拉伸強度byt,tanEFracture energy 斷裂能: OYB面積YBMolecular motion during tensile test 拉伸過程中高分子鏈的運動I El

3、astic deformationIII Viscous flow 普彈形變普彈形變鍵長鍵角運動，可回復(fù)鍵長鍵角運動，可回復(fù)強迫高彈形變強迫高彈形變鏈段沿外力方向取向鏈段沿外力方向取向加熱至加熱至T Tg g以上可恢復(fù)以上可恢復(fù)粘流形變粘流形變整鏈相互滑移或斷鏈整鏈相互滑移或斷鏈不可回復(fù)不可回復(fù)by0YBIIIIIIII Forced rubber-like deformationTypes of stress-strain curve 應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型序號序號12345類型類型硬而脆硬而脆硬而強硬而強強而韌強而韌軟而韌軟而韌軟而弱軟而弱曲線曲線模量模量高高高高高高低低低低拉伸強度拉伸強度

4、中中高高高高中中低低斷裂伸長率斷裂伸長率小小中中大大很大很大中中斷裂能斷裂能小小中中大大大大小小實例實例PS PMMA酚醛樹脂酚醛樹脂硬硬PVCASPC ABS HDPE硫化橡膠硫化橡膠軟軟PVC未硫化橡膠未硫化橡膠齊聚物齊聚物軟軟硬：模量硬：模量強強弱：拉伸強度弱：拉伸強度韌韌脆：斷裂能脆：斷裂能True stress-strain curve 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線True stress 真應(yīng)力AF1000AllAA110AFy0無體積變化且均勻變形Considre drawing Considre作圖法How to find yield point in true stress-strain

5、curve?屈服點定義y010dd101112dd1dd在真應(yīng)力在真應(yīng)力-應(yīng)變圖上從橫坐標點應(yīng)變圖上從橫坐標點 = 1向曲線上作切線，其切點就是屈服點，向曲線上作切線，其切點就是屈服點，對應(yīng)的真應(yīng)力就是屈服真應(yīng)力。對應(yīng)的真應(yīng)力就是屈服真應(yīng)力。Three types of true stress-strain curve 三種真應(yīng)力-應(yīng)變曲線1.從橫坐標點不能向曲線上作切線，這種聚合物拉伸時隨負荷增大而均從橫坐標點不能向曲線上作切線，這種聚合物拉伸時隨負荷增大而均勻伸長，但不能成頸。勻伸長，但不能成頸。2.從橫坐標點可向曲線上作一條切線，切點即為屈服點，聚合物拉伸時從橫坐標點可向曲線上作一條切線

6、，切點即為屈服點，聚合物拉伸時隨負荷增大而均勻伸長，到切點時成頸，隨后細頸逐漸變細，負荷下隨負荷增大而均勻伸長，到切點時成頸，隨后細頸逐漸變細，負荷下降直至斷裂。降直至斷裂。3.從橫坐標點可向曲線上作二條切線，在從橫坐標點可向曲線上作二條切線，在A處達極大值，成頸，進一步拉處達極大值，成頸，進一步拉伸時沿曲線下降直至伸時沿曲線下降直至B點，之后應(yīng)力穩(wěn)定在點，之后應(yīng)力穩(wěn)定在B點。細頸穩(wěn)定，試樣被冷點。細頸穩(wěn)定，試樣被冷拉，直至試樣全部變成細頸，最后，進一步拉伸則繼續(xù)發(fā)展直至斷裂。拉，直至試樣全部變成細頸，最后，進一步拉伸則繼續(xù)發(fā)展直至斷裂。AB00011Cold drawing 冷拉Neck細頸

7、q 脆性聚合物在斷裂前試樣并沒脆性聚合物在斷裂前試樣并沒有明顯變化，斷裂面一般與拉有明顯變化，斷裂面一般與拉伸方向垂直，而且很光潔伸方向垂直，而且很光潔q 韌性聚合物在屈服后產(chǎn)生細頸韌性聚合物在屈服后產(chǎn)生細頸（neck），之后細頸逐漸擴展，），之后細頸逐漸擴展，應(yīng)變增加而應(yīng)力不變，這種現(xiàn)應(yīng)變增加而應(yīng)力不變，這種現(xiàn)象稱為象稱為冷拉冷拉（cold drawing），），直至細頸擴展到整個試樣，應(yīng)直至細頸擴展到整個試樣，應(yīng)力才重新增加并使試樣斷裂力才重新增加并使試樣斷裂q 冷拉是強迫高彈形變，對于非冷拉是強迫高彈形變，對于非晶聚合物，主要是鏈段取向；晶聚合物，主要是鏈段取向；對于結(jié)晶聚合物，主要是片

8、晶對于結(jié)晶聚合物，主要是片晶的變形的變形Necking and cold drawingPrinciple of Yielding 屈服原理q 韌性聚合物在屈服點時?？煽吹皆嚇禹g性聚合物在屈服點時?？煽吹皆嚇由铣霈F(xiàn)與拉伸方向成約上出現(xiàn)與拉伸方向成約45 角傾斜的角傾斜的剪切滑移變形帶（剪切滑移變形帶（Shear band)，并，并且逐漸生成對稱的細頸且逐漸生成對稱的細頸Analysis of the stress during tensile testF/FF0AA聚合物為什么會屈服？屈服后為什么會產(chǎn)生細頸？聚合物為什么會屈服？屈服后為什么會產(chǎn)生細頸？ AFcos0AA sin/FF cosF

9、F 2sin21cossin00/AFAF2020coscosAFAF2sin210/20cos00/04520/20900/0q韌性材料拉伸時，斜截面上的最大切應(yīng)力首先增加到材料的剪切強韌性材料拉伸時，斜截面上的最大切應(yīng)力首先增加到材料的剪切強度，因此材料屈服，并出現(xiàn)與拉伸方向成度，因此材料屈服，并出現(xiàn)與拉伸方向成45 角的剪切滑移變形帶。角的剪切滑移變形帶。進一步拉伸時，剪切帶中由于分子鏈高度取向強度提高，暫時不發(fā)進一步拉伸時，剪切帶中由于分子鏈高度取向強度提高，暫時不發(fā)生進一步的變形。而其邊緣則進一步發(fā)生剪切變形。同樣，在生進一步的變形。而其邊緣則進一步發(fā)生剪切變形。同樣，在135 的斜

10、截面上也發(fā)生剪切變形，因而試樣逐漸生成對稱的細頸，直至的斜截面上也發(fā)生剪切變形，因而試樣逐漸生成對稱的細頸，直至細頸擴展至整個試樣細頸擴展至整個試樣q脆性試樣在最大切應(yīng)力達到剪切強度之前，橫截面上的法向正應(yīng)力脆性試樣在最大切應(yīng)力達到剪切強度之前，橫截面上的法向正應(yīng)力已達到材料的拉伸強度，因此試樣還來不及屈服就斷裂了，而且斷已達到材料的拉伸強度，因此試樣還來不及屈服就斷裂了，而且斷面與拉伸方向相垂直。面與拉伸方向相垂直。Principle of Yielding 屈服原理Shear band and Craze 剪切帶和銀紋剪切帶剪切帶q 剪切帶是韌性聚合物在單向拉伸至屈剪切帶是韌性聚合物在單向

11、拉伸至屈服點時出現(xiàn)的與拉伸方向成約服點時出現(xiàn)的與拉伸方向成約45 角傾角傾斜的剪切滑移變形帶斜的剪切滑移變形帶q 剪切帶的厚度約剪切帶的厚度約1 m，在剪切帶內(nèi)部，在剪切帶內(nèi)部，高分子鏈沿外力方向高度取向高分子鏈沿外力方向高度取向q 剪切帶內(nèi)部沒有空隙，因此，形變過剪切帶內(nèi)部沒有空隙，因此，形變過程沒有明顯的體積變化程沒有明顯的體積變化q 剪切帶的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量能量。剪切帶的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量能量。同時，由于發(fā)生取向硬化，阻止了形同時，由于發(fā)生取向硬化，阻止了形變的進一步發(fā)展變的進一步發(fā)展Shear band 剪切帶裂縫裂縫銀紋銀紋Shear band and Craze 剪切帶和銀紋

12、q 銀紋是聚合物在應(yīng)力作用下，于材料的某些銀紋是聚合物在應(yīng)力作用下，于材料的某些薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以至于在材料表面或內(nèi)部垂直于變和取向，以至于在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)的微細的空化條紋狀形變區(qū)應(yīng)力方向上出現(xiàn)的微細的空化條紋狀形變區(qū)Craze 銀紋q 銀紋的長約銀紋的長約100 m、寬約、寬約10 m、厚約、厚約1 m，外形與裂縫，外形與裂縫（Crack）相似，但裂縫內(nèi)部是空的，而銀紋內(nèi)部有許多高）相似，但裂縫內(nèi)部是空的，而銀紋內(nèi)部有許多高度取向的聚合物微纖，這些微纖把銀紋體的兩個面連接起來度取向的聚合物微纖，這些微纖

13、把銀紋體的兩個面連接起來并沿外力方向取向，微纖之間為空隙隔開。銀紋體中聚合物并沿外力方向取向，微纖之間為空隙隔開。銀紋體中聚合物的體積分數(shù)約為的體積分數(shù)約為4060%。銀紋進一步發(fā)展，以至于微纖斷。銀紋進一步發(fā)展，以至于微纖斷裂時，就成為裂縫裂時，就成為裂縫q 銀紋形變導(dǎo)致的體積增加，而截面積基本不變銀紋形變導(dǎo)致的體積增加，而截面積基本不變q 銀紋的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量能量銀紋的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量能量Shear band and Craze 剪切帶和銀紋q 銀紋和剪切變形帶是聚合物形變的兩種主要形式銀紋和剪切變形帶是聚合物形變的兩種主要形式q 某種聚合物采取什么形式主要取決于其臨界纏結(jié)分子量

14、某種聚合物采取什么形式主要取決于其臨界纏結(jié)分子量Mc，非晶態(tài)聚合物的分子量達到，非晶態(tài)聚合物的分子量達到Mc以上時就會產(chǎn)生分以上時就會產(chǎn)生分子間纏結(jié)，形成物理交聯(lián)點子間纏結(jié)，形成物理交聯(lián)點q PS等脆性聚合物的等脆性聚合物的Mc（19000）較大，纏結(jié)點密度低，）較大，纏結(jié)點密度低，纏結(jié)鏈伸長的長度大，容易產(chǎn)生銀紋纏結(jié)鏈伸長的長度大，容易產(chǎn)生銀紋q PC等韌性聚合物的等韌性聚合物的Mc（2490）較小，纏結(jié)點密度高，）較小，纏結(jié)點密度高，纏結(jié)鏈伸展較困難，容易發(fā)生應(yīng)變硬化，這種情況下銀纏結(jié)鏈伸展較困難，容易發(fā)生應(yīng)變硬化，這種情況下銀紋化形變不會得到充分發(fā)展，當應(yīng)力增大到剪切屈服應(yīng)紋化形變不會得

15、到充分發(fā)展，當應(yīng)力增大到剪切屈服應(yīng)力時，試樣即可產(chǎn)生剪切形變力時，試樣即可產(chǎn)生剪切形變Griffith Fracture Theory Griffith斷裂理論q 該理論由該理論由Griffith于于60年前為解釋玻璃纖維的年前為解釋玻璃纖維的斷裂強度而提出，目前廣泛應(yīng)用于金屬和非斷裂強度而提出，目前廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的斷裂現(xiàn)象金屬材料的斷裂現(xiàn)象 q Griffith認為，實際的脆性固體在受到外力作認為，實際的脆性固體在受到外力作用時，由于局部不均勻性，會在垂直于主應(yīng)用時，由于局部不均勻性，會在垂直于主應(yīng)力方向上產(chǎn)生裂縫，在裂縫的兩端產(chǎn)生應(yīng)力力方向上產(chǎn)生裂縫，在裂縫的兩端產(chǎn)生應(yīng)力集中。

16、當局部應(yīng)力超過材料的內(nèi)聚力時，就集中。當局部應(yīng)力超過材料的內(nèi)聚力時，就會導(dǎo)致裂縫增長并進而使材料斷裂會導(dǎo)致裂縫增長并進而使材料斷裂 Stress Concentration 應(yīng)力集中應(yīng)力集中2b2am00Stress distribution near an ellipsoid在無限大的平板上刻一橢圓孔。在垂直于長軸方向施以均在無限大的平板上刻一橢圓孔。在垂直于長軸方向施以均勻張應(yīng)力，則在橢圓孔附近存在應(yīng)力集中，兩端的應(yīng)力最勻張應(yīng)力，則在橢圓孔附近存在應(yīng)力集中，兩端的應(yīng)力最大。大。Lnglis導(dǎo)得導(dǎo)得 bam210am02橢圓橢圓裂縫裂縫a b裂縫尖端曲率半徑Griffith Equation

17、 GriffithGriffith方程方程q Griffith線彈性斷裂理論從能量平衡的觀點分析線彈性斷裂理論從能量平衡的觀點分析斷裂過程。認為斷裂過程。認為q 斷裂產(chǎn)生的新表面所需要的表面能是由材料內(nèi)部的斷裂產(chǎn)生的新表面所需要的表面能是由材料內(nèi)部的彈性儲能的減少來補償?shù)膹椥詢δ艿臏p少來補償?shù)膓 裂縫附近集中了大量的彈性儲能，所以材料在裂縫裂縫附近集中了大量的彈性儲能，所以材料在裂縫處先行斷裂處先行斷裂sWAU裂縫面積彈性儲能單位面積裂縫的表面能212aEsc裂縫發(fā)展裂縫發(fā)展的條件的條件表面能彈性模量臨界臨界應(yīng)力應(yīng)力Griffith Equation KI KIC 時破壞時破壞212aEscG

18、riffith Equation Easc221應(yīng)力強度因子應(yīng)力強度因子Stress Intensity Factor 應(yīng)力強度因子應(yīng)力強度因子21IaKKIC材料本身材料本身的性質(zhì)的性質(zhì) C 時破壞時破壞Molecular Theory 斷裂的分子理論q 分子理論認為，材料的斷分子理論認為，材料的斷裂是松弛過程，宏觀斷裂裂是松弛過程，宏觀斷裂是微觀化學(xué)鍵斷裂的熱活是微觀化學(xué)鍵斷裂的熱活化過程。當原子熱運動的化過程。當原子熱運動的無規(guī)熱漲落能量超過束縛無規(guī)熱漲落能量超過束縛原子間的位壘時，會使化原子間的位壘時，會使化學(xué)鍵離解，從而發(fā)生斷裂學(xué)鍵離解，從而發(fā)生斷裂 ，這個過程與時間有關(guān)這個過程與時

19、間有關(guān)q 材料從完好狀態(tài)到斷裂的材料從完好狀態(tài)到斷裂的時間稱為承載壽命時間稱為承載壽命q 外力降低了活化位壘，致外力降低了活化位壘，致使壽命降低，即材料易斷使壽命降低，即材料易斷裂裂U0U0DistanceEnergyAABPotential barrier of a chemical bondBlue: without stressRed: with stressActivation energy of fracture 斷裂活化能斷裂活化能q 在拉伸應(yīng)力作用下，材料壽命與應(yīng)力的關(guān)系為在拉伸應(yīng)力作用下，材料壽命與應(yīng)力的關(guān)系為RTU00expRTUC0ln聚合物聚合物斷裂活化能斷裂活化能U0

20、103 J/mol熱分解活化能熱分解活化能U 103 J/molPVC146134PE226230PMMA226218222PP235230243PTFE314318335Nylon66118180聚合物斷裂活化能與聚合物斷裂活化能與熱分解活化能的比較熱分解活化能的比較斷裂活化能活化體積測定不同測定不同 、T下的下的ln ，就可求得就可求得U0，發(fā)現(xiàn)與熱，發(fā)現(xiàn)與熱分解活化能相當接近，分解活化能相當接近，說明假設(shè)正確說明假設(shè)正確Theoretical strength 理論強度q 從分子結(jié)構(gòu)的角度看，聚合物之所以有抵抗從分子結(jié)構(gòu)的角度看，聚合物之所以有抵抗外力破壞的能力，主要靠分子內(nèi)的化學(xué)鍵和外

21、力破壞的能力，主要靠分子內(nèi)的化學(xué)鍵和分子間的范德華力和氫鍵分子間的范德華力和氫鍵q 如果不考慮其他因素的影響，可以由微觀角如果不考慮其他因素的影響，可以由微觀角度計算出聚合物的理論強度度計算出聚合物的理論強度q 為了簡化問題，把聚合物斷裂的微觀過程歸為了簡化問題，把聚合物斷裂的微觀過程歸納為三種納為三種q 化學(xué)鍵破壞化學(xué)鍵破壞 q 分子間滑脫分子間滑脫 q 范德華力或氫鍵破壞范德華力或氫鍵破壞Chain scission 斷鏈q 斷裂截面上所有高分子鏈的化學(xué)鍵同時破壞斷裂截面上所有高分子鏈的化學(xué)鍵同時破壞化學(xué)鍵鍵能d1.5nm時化學(xué)鍵破壞根根/N109 . 3m105 . 1/J108 . 5

22、91019dEf根J108 . 5molkJ35019E破壞一根化學(xué)鍵所需的力高分子鏈的截面積單位面積的高分子鏈數(shù)218m105根N根2nm2 . 0A2102189mN102m105N109 . 3根根fNMPa1024破壞單位面積破壞單位面積化學(xué)鍵所需的力化學(xué)鍵所需的力Chain slippage 分子間滑脫q 高分子鏈平行于受力方向排列，使與斷裂截面高分子鏈平行于受力方向排列，使與斷裂截面上所有高分子鏈有關(guān)的分子間作用力（包括范上所有高分子鏈有關(guān)的分子間作用力（包括范德華力和氫鍵）同時破壞德華力和氫鍵）同時破壞MPa10215粗略估算粗略估算斷裂面上高分子鏈的數(shù)目與前者相同，由斷裂面上高

23、分子鏈的數(shù)目與前者相同，由于高分子的摩爾內(nèi)聚能比共價鍵鍵能大于高分子的摩爾內(nèi)聚能比共價鍵鍵能大510倍，故理論強度約為倍，故理論強度約為12 105MPaDestroy of Van der Waals bond 范德華鍵破壞q 高分子鏈垂直于受力方向排列，使斷裂截面兩高分子鏈垂直于受力方向排列，使斷裂截面兩側(cè)高分子鏈間的分子間作用力（包括范德華力側(cè)高分子鏈間的分子間作用力（包括范德華力和氫鍵）同時破壞和氫鍵）同時破壞MPa800400粗略估算粗略估算高分子的高分子的截面積為截面積為0.2nm2，縱剖面積為縱剖面積為100nm 0.5nm=50nm2，斷裂截面上的斷裂截面上的鏈數(shù)是前者的鏈數(shù)是

24、前者的0.2/50，故理論強度約為，故理論強度約為12 105/250=400800MPaTensile Strength of Practical Polymers 實際高分子的拉伸強度q 聚合物的實際強度為聚合物的實際強度為10100MPa，與理論，與理論強度相比有巨大的差距強度相比有巨大的差距q 主要原因主要原因q 由于材料內(nèi)部存在各種缺陷，缺陷造成的應(yīng)力由于材料內(nèi)部存在各種缺陷，缺陷造成的應(yīng)力集中使局部區(qū)域的應(yīng)力遠高于平均應(yīng)力集中使局部區(qū)域的應(yīng)力遠高于平均應(yīng)力q 因為破壞總是先發(fā)生在某些薄弱環(huán)節(jié)，不可能因為破壞總是先發(fā)生在某些薄弱環(huán)節(jié)，不可能是那么多的化學(xué)鍵或分子間作用力同時破壞是那么

25、多的化學(xué)鍵或分子間作用力同時破壞q 高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)不可能象理論計算時高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)不可能象理論計算時那么規(guī)整那么規(guī)整 Tensile Properties of PolymersPolymerTensile Strength, MPaElongation at break, %Youngs Modulus, MPaLDPE223960150840950PS35631328003500PMMA49772103200PP344220070012001400PVC-U3563204025004200Nylon-66836032003300PET802002900POM62686075

26、2800PC676010022002400PPO8690308026002800PTFE1425250350400Factor influencing Tensile Strength 影響高分子拉伸強度的因素q內(nèi)因內(nèi)因q鏈結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)q聚集態(tài)結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)q分子間作用力分子間作用力qq外因外因q溫度溫度q應(yīng)變速率應(yīng)變速率q Chain Structure 鏈結(jié)構(gòu)極性極性氫鍵氫鍵剛性剛性分子量分子量交聯(lián)交聯(lián)拉伸強度拉伸強度Crystallization 結(jié)晶q結(jié)晶形態(tài)結(jié)晶形態(tài)伸直鏈晶體伸直鏈晶體串晶串晶球晶球晶q結(jié)晶度結(jié)晶度q球晶尺寸球晶尺寸拉伸強度拉伸強度Orientation 取向q取向方向

27、取向方向拉伸強度拉伸強度q垂直于取向方向垂直于取向方向模量模量拉伸強度拉伸強度模量模量斷鏈或分子間滑脫斷鏈或分子間滑脫范德華鍵破壞范德華鍵破壞Defects 缺陷q材料受力時在裂縫、孔隙、缺口、材料受力時在裂縫、孔隙、缺口、雜質(zhì)等缺陷附近的局部范圍造成雜質(zhì)等缺陷附近的局部范圍造成應(yīng)力集中，從而應(yīng)力集中，從而嚴重降低嚴重降低材料的材料的拉伸強度拉伸強度Deformation rate 應(yīng)變速率q 鏈段運動是松弛過程，外力的鏈段運動是松弛過程，外力的作用使松弛時間下降作用使松弛時間下降q 若鏈段運動的松弛時間與外力若鏈段運動的松弛時間與外力作用速率相適應(yīng)，材料在斷裂作用速率相適應(yīng)，材料在斷裂前可發(fā)

28、生屈服，出現(xiàn)強迫高彈前可發(fā)生屈服，出現(xiàn)強迫高彈性，表現(xiàn)為韌性斷裂性，表現(xiàn)為韌性斷裂q 若鏈段的松弛跟不上外力作用若鏈段的松弛跟不上外力作用速率，材料在斷裂前不發(fā)生屈速率，材料在斷裂前不發(fā)生屈服，表現(xiàn)為脆性斷裂服，表現(xiàn)為脆性斷裂RTaEexp0應(yīng)力活化能拉伸沖擊實驗拉伸沖擊實驗 用材料高速拉用材料高速拉伸條件下的強度表征材料的韌性伸條件下的強度表征材料的韌性 0.05 inch/min0.05 inch/min0.25 inch/min0.25 inch/min1.25 inch/min1.25 inch/min5 inch/min5 inch/min20 inch/min20 inch/min

29、Stress-strain curve of PSTensile rateTensile rateTemperature 溫度q 降低溫度與提高外力作用速率有同樣的效果降低溫度與提高外力作用速率有同樣的效果q 溫度升高，材料變軟變韌溫度升高，材料變軟變韌q 溫度下降，材料變硬變脆溫度下降，材料變硬變脆拉伸速率 溫度 T Tg50T Tg拉伸速率和溫度對斷裂點的影響拉伸速率和溫度對斷裂點的影響不同溫度區(qū)間的應(yīng)力不同溫度區(qū)間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線Brittle-ductile Transformation脆韌轉(zhuǎn)變屈服應(yīng)力T T 屈服應(yīng)力和斷裂應(yīng)力與溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系屈服應(yīng)力和斷裂應(yīng)力與溫度和應(yīng)

30、變速率的關(guān)系斷裂應(yīng)力屈服應(yīng)力 斷裂應(yīng)力q 材料從脆性斷裂向韌性斷裂的轉(zhuǎn)變材料從脆性斷裂向韌性斷裂的轉(zhuǎn)變.Reinforcing of Polymers 高分子的增強q 高分子材料的強度和模量遠低于金屬高分子材料的強度和模量遠低于金屬和陶瓷，在作為結(jié)構(gòu)材料使用時需要和陶瓷，在作為結(jié)構(gòu)材料使用時需要增強，最常用的方法是加入增強材料增強，最常用的方法是加入增強材料q 連續(xù)纖維連續(xù)纖維q 短纖維（含晶須）短纖維（含晶須）q 粉體（納米粒子）粉體（納米粒子）q Fiber reinforcing 纖維增強fmffucuVVf1)(*q 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料q 由兩種或兩種以上連續(xù)相物質(zhì)進行復(fù)

31、合，其中一相由兩種或兩種以上連續(xù)相物質(zhì)進行復(fù)合，其中一相起增強作用，另一相對增強材料起斂集粘附作用，起增強作用，另一相對增強材料起斂集粘附作用，所形成的復(fù)合物各組份保持原物質(zhì)的同一性，并使所形成的復(fù)合物各組份保持原物質(zhì)的同一性，并使復(fù)合物的性質(zhì)有重要改進復(fù)合物的性質(zhì)有重要改進q 復(fù)合材料的極限強度復(fù)合材料的極限強度纖維拉纖維拉伸強度伸強度纖維斷裂應(yīng)變纖維斷裂應(yīng)變時基體的應(yīng)力時基體的應(yīng)力纖維體纖維體積分數(shù)積分數(shù)幾種結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能幾種結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能材料材料 密度密度 拉伸強度拉伸強度 彈性模量彈性模量 比強度比強度 比模量比模量 MPa MPa MPa MPa 鋼鋼 7.8 1030 21

32、0000 130 27000 鋁合金鋁合金 2.8 470 75000 170 26000 鈦合金鈦合金 4.5 960 114000 210 25000 玻璃纖維玻璃纖維/不飽和聚酯不飽和聚酯 2 1060 40000 530 20000 高強度碳纖維高強度碳纖維/環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 1.5 1500 140000 1030 97000 高模量碳纖維高模量碳纖維/環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 1.6 1070 240000 670 150000 芳綸纖維芳綸纖維/環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 1.4 1400 80000 1000 57000 硼纖維硼纖維/環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 2.1 1380 210000 660 1

33、00000 硼纖維硼纖維/鋁鋁 2.7 1000 200000 380 57000 Short fiber reinforcing 短纖維增強fmcffucuVLLVf121)(*q 臨界纖維長度臨界纖維長度纖維強纖維強度極限度極限纖維斷裂應(yīng)變纖維斷裂應(yīng)變時基體的應(yīng)力時基體的應(yīng)力纖維體纖維體積分數(shù)積分數(shù)msftcDL,2q LLc時，復(fù)合材料的極限強度時，復(fù)合材料的極限強度纖維直徑纖維直徑纖維拉纖維拉伸強度伸強度基體剪切強度基體剪切強度纖維纖維長度長度Particulates reinforcing 粒子增強q 橡膠補強橡膠補強q 碳黑或白碳黑起交聯(lián)點的作用碳黑或白碳黑起交聯(lián)點的作用橡橡 膠膠

34、拉伸強度，拉伸強度，MPa未增強未增強增強增強非結(jié)晶性非結(jié)晶性硅橡膠硅橡膠*0.3413.7丁苯橡膠丁苯橡膠1.9619.0丁腈橡膠丁腈橡膠1.9619.6結(jié)晶性結(jié)晶性天然橡膠天然橡膠19.031.4氯丁橡膠氯丁橡膠14.725.0丁基橡膠丁基橡膠17.618.6* * 白碳黑白碳黑Impact Strength 沖擊強度q 沖擊強度是表征材料韌性的一種強度指標沖擊強度是表征材料韌性的一種強度指標q 常用的沖擊試驗方法有常用的沖擊試驗方法有q 懸臂梁沖擊試驗（含無缺口和有缺口兩種懸臂梁沖擊試驗（含無缺口和有缺口兩種試樣）試樣）q 簡支梁沖擊試驗（含無缺口和有缺口兩種簡支梁沖擊試驗（含無缺口和有

35、缺口兩種試樣）試樣）q 落重式?jīng)_擊試驗落重式?jīng)_擊試驗q 高速拉伸試驗高速拉伸試驗q Charpy Impact Strength 簡支梁沖擊強度簡支梁沖擊強度q 簡支梁沖擊強度定義為試簡支梁沖擊強度定義為試樣受沖擊載荷而折斷時單樣受沖擊載荷而折斷時單位截面積所吸收的能量位截面積所吸收的能量 bdwiCharpy testP沖斷試樣所消耗的功db剩余厚度寬度kJ/m2Izod Impact Strength 懸臂梁沖擊強度懸臂梁沖擊強度q 懸臂梁沖擊強度定義為試懸臂梁沖擊強度定義為試樣受沖擊載荷而折斷時單樣受沖擊載荷而折斷時單位缺口寬度所吸收的能量位缺口寬度所吸收的能量 bwi bP沖斷試樣所消

36、耗的功寬度J/mIzod testFactor influencing toughness 影響高分子韌性的因素q內(nèi)因內(nèi)因q鏈結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)q聚集態(tài)結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)q分子間作用力分子間作用力qq外因外因q溫度溫度q應(yīng)變速率應(yīng)變速率q Temperature 溫度q 越接近越接近Tg，韌性越大，韌性越大q 溫度升高，材料變軟變韌溫度升高，材料變軟變韌q 溫度下降，材料變硬變脆溫度下降，材料變硬變脆拉伸速率 溫度 T Tg50T Tg拉伸速率和溫度對斷裂點的影響拉伸速率和溫度對斷裂點的影響不同溫度區(qū)間的應(yīng)力不同溫度區(qū)間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線高韌性塑料Deformation rate 應(yīng)變速率q 若鏈段

37、運動的松弛時間若鏈段運動的松弛時間與外力作用速率相適應(yīng)，與外力作用速率相適應(yīng)，材料在斷裂前可發(fā)生屈材料在斷裂前可發(fā)生屈服，表現(xiàn)為韌性斷裂服，表現(xiàn)為韌性斷裂q 若鏈段的松弛跟不上外若鏈段的松弛跟不上外力作用速率，材料在斷力作用速率，材料在斷裂前不發(fā)生屈服，表現(xiàn)裂前不發(fā)生屈服，表現(xiàn)為脆性斷裂為脆性斷裂Stress-strain curve of PS 0.05 inch/min0.05 inch/min0.25 inch/min0.25 inch/min1.25 inch/min1.25 inch/min5 inch/min5 inch/min20 inch/min20 inch/minTensi

38、le rateTensile rate應(yīng)變速率應(yīng)變速率韌性韌性Chain Structure 鏈結(jié)構(gòu)極性極性氫鍵氫鍵剛性剛性交聯(lián)交聯(lián)韌性韌性支化支化Crystallization 結(jié)晶結(jié)晶度結(jié)晶度球晶尺寸球晶尺寸沖擊強度沖擊強度Orientation 取向q垂直于取向方向的沖擊強度垂直于取向方向的沖擊強度提高提高Defects 缺陷q材料受力時在裂縫、孔隙、缺口、材料受力時在裂縫、孔隙、缺口、雜質(zhì)等缺陷附近的局部范圍造成雜質(zhì)等缺陷附近的局部范圍造成應(yīng)力集中，從而應(yīng)力集中，從而嚴重降低嚴重降低材料的材料的拉伸和沖擊強度拉伸和沖擊強度q大量的同類小缺陷可同時誘發(fā)大大量的同類小缺陷可同時誘發(fā)大量空穴

39、或銀紋，吸收沖擊能，反量空穴或銀紋，吸收沖擊能，反而有利于提高沖擊強度而有利于提高沖擊強度Toughening of Polymers 高分子的增韌q常用的方法常用的方法q 彈性體增韌彈性體增韌q 剛性有機粒子增韌剛性有機粒子增韌q 超細無機粒子增韌超細無機粒子增韌q Rubber toughening 橡膠增韌 增強橡膠增強橡膠增韌塑料增韌塑料橡膠橡膠塑料塑料q 達到良好增韌效果的條件達到良好增韌效果的條件q 橡膠相作為分散相存在橡膠相作為分散相存在q 橡膠相與塑料相有良好的界面粘接力橡膠相與塑料相有良好的界面粘接力q 橡膠相的橡膠相的Tg遠低于使用溫度遠低于使用溫度Sample Compo

40、sition (g) Impact strength (kJ/m2) PS 1.0 PS/LLDPE 85/15 1.1 PS/LLDPE/SBS 85/15/9 8.8 PS/LLDPE/SBS/DCP 85/15/9/0.1 7.8 PS/LLDPE/SBS/BR 85/15/9/7 3.4 PS/LLDPE/SBS/BR/DCP 85/15/9/9/0.1 17.8 聚苯乙烯的增韌聚苯乙烯的增韌PS: polystyrene; LLDPE: linear low density polyethylene; BR: butadiene rubber; SBS: styrene-butadi

41、ene-styrene copolymer; DCP: dicumyl peroxideSEM micrograph of the fracture surface of PS/EPDM/SBS blends85/10/1085/20/085/15/1085/20/10Mechanical properties of the PS/EPDM (85/n) binary blends n（wt）Impact Strength（KJ/m2）Tensile Strength（MPa）Elongation at Break（）（）Tensile Modulus（MPa）Bending Strength

42、（MPa）Bending Modulus（MPa）01.2942.05.88.5044.3455.651.3631.07.66.0139.6388.5101.5326.810.94.9434.5307.2152.1421.49.44.7530.1250.1202.5420.517.03.6427.9224.3251.8420.310.63.8725.5199.8Mechanical properties of the PS/EPDM/SBS (85/n/10) ternary blendsEPDM（wt）Impact Strength（KJ/m2）Tensile Strength（MPa）Elongation at Break（）（）Tensile Modulus（MPa）Bending Strength（MPa）Bending Modulus（MPa）02.0337.16.58.6927.5262.953.0731.57.57.7835.9257.3106.2327.66.56.8433.6249.81511.224.86.96.0630.6230.42022.521.210.67.9525.7217.52526.318.438.94.4424.0206.5Mechanism of rubber