第三章高分子性能2(力學(xué)性能)

1、第第 三三 章章 高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能（高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能（2）薛紅艷力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 高彈性高彈性第三節(jié)第三節(jié) 粘彈性粘彈性第四節(jié)第四節(jié) 極限力學(xué)行為極限力學(xué)行為 （屈服、斷裂與強(qiáng)度）（屈服、斷裂與強(qiáng)度）1-1 力學(xué)性能分類力學(xué)性能分類 力學(xué)性能是高聚物優(yōu)異物理性能的基礎(chǔ)力學(xué)性能是高聚物優(yōu)異物理性能的基礎(chǔ) 如：某高聚物磨擦、磨耗性能優(yōu)良，但力學(xué)性能 不好，很脆，不能用它作減磨材料。 再如：作電線絕緣材料的高聚物，也要求有一定的力學(xué)性能：強(qiáng)度和韌性。如折疊幾次就破裂，那么這種材料的電絕緣性雖好，也不能用作電線。第一節(jié)第一節(jié) 概述概

2、述彈彈 性性粘彈性粘彈性非線性粘彈性非線性粘彈性線性粘彈性線性粘彈性高彈性高彈性普彈性普彈性動(dòng)動(dòng) 態(tài)態(tài)靜靜 態(tài)態(tài)粘粘 性性Deformation形變性能形變性能ElasticityHigh elasticityViscosityviscoelasticityL i n e a r viscoelasticityStaticDynamicNon-Linear viscoelasticity應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛蠕蠕 變變滯滯 后后力學(xué)損耗力學(xué)損耗Toughness斷裂性能斷裂性能韌韌 性性強(qiáng)強(qiáng) 度度StrengthFracture斷裂性能斷裂性能韌韌 性性強(qiáng)強(qiáng) 度度Strength常用術(shù)語(yǔ)：常用術(shù)語(yǔ)：

3、 力學(xué)行為力學(xué)行為：指施加一個(gè)外力在材料上，它產(chǎn)生怎樣的形變 形變性能形變性能：非極限情況下的力學(xué)行為 斷裂性能斷裂性能：極限情況下的力學(xué)行為 應(yīng)變應(yīng)變：當(dāng)材料受到外力作用而又不產(chǎn)生慣性移動(dòng)時(shí)，其幾何形狀和尺寸會(huì)發(fā)生變化，這種變化稱為應(yīng)變或形變。 應(yīng)力應(yīng)力：材料宏觀變形時(shí)，其內(nèi)部分子及原子間發(fā)生相對(duì)位移，產(chǎn)生分子間及原子間對(duì)抗外力的附加內(nèi)力，達(dá)到平衡時(shí)，附加內(nèi)力于外力大小相等，方向相反。單位面積上的內(nèi)力即為應(yīng)力，其值與外加應(yīng)力相等。 彈性彈性：對(duì)于理想彈性體來(lái)講，其彈性形變可用虎克定律來(lái)表示，即：應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，應(yīng)變與時(shí)間無(wú)關(guān)（響應(yīng)響應(yīng)） 粘性粘性： 在外力作用下，分子與分子之間發(fā)生位移

4、，理想的粘性流體其流動(dòng)形變可用牛頓定律來(lái)描述：應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比 普彈性普彈性：大應(yīng)力作用下，只產(chǎn)生小的、線性可逆形變，它是由化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)，鍵角變化引起的。與材料的內(nèi)能變化有關(guān)：形變時(shí)內(nèi)能增加，形變恢復(fù)時(shí)，放出能量，對(duì)外做功（玻璃態(tài)，晶態(tài)，高聚物，金屬，陶瓷均有這種性能）。普彈性又稱能彈性 高彈性高彈性：小的應(yīng)力作用下可發(fā)生很大的可逆形變，是由內(nèi)部構(gòu)象熵變引起的，所以也稱熵彈性（橡膠具有高彈性） 靜態(tài)力學(xué)性能靜態(tài)力學(xué)性能：在恒應(yīng)力或恒應(yīng)變情況下的力學(xué)行為 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能動(dòng)態(tài)力學(xué)性能：物體在交變應(yīng)力下的粘彈性行為 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛：在恒應(yīng)變情況下，應(yīng)力隨時(shí)間的變化 蠕變?nèi)渥儯涸诤銘?yīng)力下，物體的形

5、變隨時(shí)間的變化 強(qiáng)度強(qiáng)度：材料所能承受的應(yīng)力 韌性韌性：材料斷裂時(shí)所吸收的能量1-2 高聚物力學(xué)性能的特點(diǎn)高聚物力學(xué)性能的特點(diǎn) 1高聚物材料具有所有已知材料可變性范圍最寬的力學(xué) 性質(zhì)，包括從液體、軟橡皮到很硬的固體，各種高聚物對(duì) 于機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)相差很大。例如：PS制品很脆，一敲就碎（脆性）尼龍制品很堅(jiān)韌，不易變形，也不易破碎（韌性）輕度交聯(lián)的橡膠拉伸時(shí)，可伸長(zhǎng)幾倍，力解除后基本恢復(fù)原狀（彈性）膠泥變形后，卻完全保持新的形狀（粘性） 高聚物力學(xué)性質(zhì)的這種多樣性，為不同的應(yīng)用提供了廣高聚物力學(xué)性質(zhì)的這種多樣性，為不同的應(yīng)用提供了廣闊的選擇余地闊的選擇余地2.高聚物力學(xué)性能的最大特點(diǎn)高聚物力學(xué)性能

6、的最大特點(diǎn) 高彈性和粘彈性高彈性和粘彈性（1）高聚物的高彈性）高聚物的高彈性： 是由于高聚物極大的分子量使得高分子鏈有許多不同的構(gòu)象，而構(gòu)象的改變導(dǎo)致高分子鏈有其特有的柔順性。鏈柔性在性能上的表現(xiàn)就是高聚物的高彈性。它與一般材料的普彈性的差別就是因?yàn)闃?gòu)象的改變；形變時(shí)構(gòu)象熵減小，恢復(fù)時(shí)增加。內(nèi)能在高彈性形變中不起主要作用（它卻是普彈形變的主要起因）（2）高聚物的粘彈性）高聚物的粘彈性： 指高聚物材料不但具有彈性材料的一般特性，同時(shí)還具有粘性流體的一些特性。彈性和粘性在高聚物材料身上同時(shí)呈現(xiàn)得特別明顯。 高聚物的粘彈性表現(xiàn)在它有突出的力學(xué)松弛現(xiàn)象，描述粘彈性高聚物材料的力學(xué)行為必須同時(shí)考慮應(yīng)力、

7、應(yīng)變、時(shí)間和溫度四個(gè)參數(shù)。高聚物材料的力學(xué)性能對(duì)時(shí)間和溫度的強(qiáng)烈依賴性是研究其力學(xué)性能中要著重弄清的問(wèn)題，也是進(jìn)行高聚物材料的測(cè)試及使用時(shí)必須十分注意的問(wèn)題。2-1 高彈性的特點(diǎn)高彈性的特點(diǎn) 高彈態(tài)是高聚物所特有的，是基于鏈段運(yùn)動(dòng)的一種力學(xué)狀態(tài)，可以通過(guò)高聚物在一定條件下，通過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變而達(dá)到 處于高彈態(tài)的高聚物表現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)性能高彈性 這是高聚物中一項(xiàng)十分難能可貴的性能第二節(jié)第二節(jié) 高彈性高彈性 橡膠就是具有高彈性的材料，高彈性的特征表現(xiàn)在： 彈性形變大，可高達(dá)1000%，而金屬材料的普彈形變不超過(guò)1% 彈性模量小， ，而且隨絕對(duì)溫度升高而升高；而金屬材料的彈性模量達(dá) ，而且隨絕對(duì)溫度升高

8、而降低 在快速拉伸時(shí)（絕熱過(guò)程），高聚物溫度上升；而金屬材料溫度下降。如果把橡膠薄片拉長(zhǎng)，把它貼在嘴唇或面頰上，就會(huì)感到橡皮在伸長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱，回縮時(shí)吸熱。 形變與時(shí)間有關(guān)，橡膠受到外力（應(yīng)力恒定）壓縮或拉伸時(shí)，形變總是隨時(shí)間而發(fā)展，最后達(dá)到最大形變，這種現(xiàn)象叫蠕變。27610cm達(dá)因2121110cm達(dá)因 原因原因：由于橡膠是長(zhǎng)鏈分子，整個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)都要克服分子間的作用力和內(nèi)摩擦力，高彈形變就是靠分子鏈段運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)分子鏈從一種平衡狀態(tài)過(guò)度到與外力相適應(yīng)的平衡狀態(tài)，可能需要幾分鐘，幾小時(shí)甚至幾年。也就是說(shuō)在一般情況下形變總是落后與外力，所以橡膠形變需要時(shí)間2-2 橡膠的使用溫度橡膠的使用溫度

9、 在高于一定溫度時(shí)，橡膠由于老化而失去在高于一定溫度時(shí)，橡膠由于老化而失去彈性；在低于一定溫度時(shí)，橡膠由于玻璃彈性；在低于一定溫度時(shí)，橡膠由于玻璃化而失去彈性?；椥浴?如何改善橡膠的耐熱性和耐寒性，即擴(kuò)大如何改善橡膠的耐熱性和耐寒性，即擴(kuò)大其使用溫度的范圍是十分重要的。其使用溫度的范圍是十分重要的。 一.改善高溫耐老化性能，提高耐熱性改善高溫耐老化性能，提高耐熱性 硫化的橡膠具有交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，除非分子鏈斷裂或交聯(lián)鏈破壞，否則不會(huì)流動(dòng) 的，硫化橡膠耐熱性似乎是好的。但實(shí)際 硫化橡膠在120已難以保持其物理機(jī)械性 能，170180時(shí)已失去使用價(jià)值，為什么 呢？橡膠主鏈中含有大量雙鍵，易被

10、臭氧 破壞而裂解，雙鍵旁的次甲基上的氫容 易被氧化而降解或交聯(lián) 二二. 降低降低 ，避免結(jié)晶，改善耐寒性，避免結(jié)晶，改善耐寒性 耐寒性不足的原因是由于在低溫下橡膠會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變或發(fā)生結(jié)晶，而導(dǎo)致橡膠變硬變脆，喪失彈性。 而導(dǎo)致聚合物玻璃化的原因是分子互相接近，分子間互相作用力加強(qiáng)，以致鏈段的運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，因此: 任何增加分子鏈的活動(dòng)性，削弱分子間相互作用的措施都會(huì)使Tg下降， 任何降低聚合物結(jié)晶能力和結(jié)晶速度的措施均會(huì)增加聚合物的彈性，提高耐寒性（因?yàn)榻Y(jié)晶就是高分子鏈或鏈段規(guī)整排列，它會(huì)大大增加分子間相互作用力，使聚合物強(qiáng)度增加，彈性下降）gT3-1 高聚物的力學(xué)松弛現(xiàn)象高聚物的力學(xué)松弛現(xiàn)象

11、力學(xué)松弛力學(xué)松弛高聚物的力學(xué)性能隨時(shí)間的變化統(tǒng)稱力學(xué)松弛 最基本的有：蠕變、應(yīng)力松弛、 滯后、力學(xué)損耗第三節(jié)第三節(jié) 粘彈性粘彈性聚合物的粘彈性是指聚合物既有粘性又有彈性的性質(zhì)，實(shí)質(zhì)是聚合物的力學(xué)松弛行為。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，非晶態(tài)線型聚合物的粘彈性表現(xiàn)得最為明顯 理想彈性體受外力后，平衡形變瞬時(shí)達(dá)到，應(yīng)變正比于應(yīng)力，形變與時(shí)間無(wú)關(guān) 理想粘性體受外力后，形變是隨時(shí)間線性發(fā)展的，應(yīng)變速率正比于應(yīng)力 高聚物的形變與時(shí)間有關(guān)，這種關(guān)系介于理想彈性體和理想粘性體之間，也就是說(shuō)，應(yīng)變和應(yīng)變速率同時(shí)與應(yīng)力有關(guān)，因此高分子材料常稱為粘彈性材料。3-2 蠕變?nèi)渥?蠕變：蠕變：在一定的溫度和恒定的外力作用下（拉

12、力，壓力，扭力等），材料的形變隨時(shí)間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。 蠕變過(guò)程包括下面三種形變： 普彈形變、高彈形變、粘性流動(dòng) 蠕變與溫度高低及外力大小有關(guān)蠕變與溫度高低及外力大小有關(guān)溫度過(guò)低（在 以下）或外力太小，蠕變很小，而且很慢，在短時(shí)間內(nèi)不易觀察到溫度過(guò)高（在 以上很多）或外力過(guò)大，形變發(fā)展很快，也不易觀察到蠕變溫度在 以上不多，鏈段在外力下可以運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)時(shí)受的內(nèi)摩擦又較大，則可觀察到蠕變gTgTgTgT 不同種類高聚物蠕變行為不同不同種類高聚物蠕變行為不同 例1：硬PVC抗蝕性好，可作化工管道，但易蠕變，所以使用時(shí)必須增加支架。 例2：PTFE是塑料中摩擦系數(shù)最小的，所以有很好的自潤(rùn)滑性能

13、，但蠕變嚴(yán)重，所以不能作機(jī)械零件，卻是很好的密封材料。 例3：橡膠采用硫化交聯(lián)的辦法來(lái)防止由蠕變產(chǎn)生分子間滑移造成不可逆的形變。3-3 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛 定義：對(duì)于一個(gè)線性粘彈體來(lái)說(shuō)，在應(yīng)變保持不變的情況下，應(yīng)力隨時(shí)間的增加而逐漸衰減，這一現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。（Stress Relax）例如：拉伸一塊未交聯(lián)的橡膠到一定長(zhǎng)度，并保持長(zhǎng)度不變，隨著時(shí)間的增加，這塊橡膠的回彈力會(huì)逐漸減小，這是因?yàn)槔锩娴膽?yīng)力在慢慢減小，最后變?yōu)?。因此用未交聯(lián)的橡膠來(lái)做傳動(dòng)帶是不行的。 應(yīng)力松弛和蠕變是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，都反映了高聚物內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)情況：當(dāng)高聚物一開(kāi)始被拉長(zhǎng)時(shí)，其中分子處于不平衡的構(gòu)象，要逐漸過(guò)渡到平衡的

14、構(gòu)象，也就是鏈段要順著外力的方向來(lái)運(yùn)動(dòng)以減少或消除內(nèi)部應(yīng)力。 3-4 滯后現(xiàn)象滯后現(xiàn)象（Delay ） 高聚物作為結(jié)構(gòu)材料，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往受到 交變力的作用。例如輪胎，傳動(dòng)皮帶，齒輪，消 振器等，它們都是在交變力作用的場(chǎng)合使用的。 以輪胎為例，車在行進(jìn)中，它上面某一部分一會(huì) 兒著地，一會(huì)離地，受到的是一定頻率的外力， 它的形變也是一會(huì)大，一會(huì)小，交替地變化。 高聚物在交變力作用下，形變落后于應(yīng)力變化的現(xiàn)高聚物在交變力作用下，形變落后于應(yīng)力變化的現(xiàn)象，為滯后現(xiàn)象。象，為滯后現(xiàn)象。 解釋：鏈段在運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到內(nèi)摩擦力的作用，當(dāng)外力變化時(shí)鏈段的運(yùn)動(dòng)還跟不上外力的變化，形變落后于應(yīng)力，有一個(gè)相位差，

15、越大，說(shuō)明鏈段運(yùn)動(dòng)愈困難，愈是跟不上外力的變化。 高聚物的滯后現(xiàn)象與其本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)：通常剛性分子滯后現(xiàn)象?。ㄈ缢芰希蝗嵝苑肿訙蟋F(xiàn)象嚴(yán)重（如橡膠） 滯后現(xiàn)象還受到外界條件的影響3-5 力學(xué)損耗力學(xué)損耗 輪胎在高速行使相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后，立即檢查內(nèi)層溫度，為什么達(dá)到燙手的程度？ 高聚物受到交變力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，上一次受到外 力后發(fā)生形變?cè)谕饬θコ筮€來(lái)不及恢復(fù)，下一次應(yīng)力又 施加了，以致總有部分彈性儲(chǔ)能沒(méi)有釋放出來(lái)。這樣不斷 循環(huán)，那些未釋放的彈性儲(chǔ)能都被消耗在體系的自摩擦 上，并轉(zhuǎn)化成熱量放出。 這種由于力學(xué)滯后而使機(jī)械功轉(zhuǎn)換成熱的現(xiàn)象，稱為力力學(xué)損耗或內(nèi)耗學(xué)損耗或內(nèi)耗。例例1：對(duì)于作

16、輪胎的橡膠，則希望有最小的力學(xué)損耗才好對(duì)于作輪胎的橡膠，則希望有最小的力學(xué)損耗才好順丁膠：內(nèi)耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有側(cè)基，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較小丁苯膠：內(nèi)耗大，結(jié)構(gòu)含有較大剛性的苯基，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較大丁晴膠：內(nèi)耗大，結(jié)構(gòu)含有極性較強(qiáng)的氰基，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較大丁基膠：內(nèi)耗比上面幾種都大，側(cè)基數(shù)目多，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦更大例2：對(duì)于作為防震材料，要求在常溫附近有較大的力學(xué)損耗 （吸收振動(dòng)能并轉(zhuǎn)化為熱能）例3：對(duì)于隔音材料和吸音材料，要求在音頻范圍內(nèi)有較大的力學(xué)損耗（當(dāng)然也不能內(nèi)耗太大，否則發(fā)熱過(guò)多，材料易于熱態(tài)化）4-1 高聚物的屈服高聚物的屈服1.高聚物屈服點(diǎn)的特征 大多數(shù)高聚物有屈服現(xiàn)象，最明顯

17、的屈服現(xiàn)象是拉伸中出現(xiàn)的細(xì)頸現(xiàn)象。它是獨(dú)特的力學(xué)行為。并不是所有的高聚物材料都表現(xiàn)出屈服過(guò)程，這是由于溫度和時(shí)間對(duì)高聚物的性能的影響往往掩蓋了屈服行為的普遍性，有的高聚物出現(xiàn)細(xì)頸和冷拉，而有的高聚物脆性易斷。 第四節(jié)第四節(jié) 極限力學(xué)行為極限力學(xué)行為(1)屈服應(yīng)變大： 高聚物的屈服應(yīng)變比金屬大得多，金屬0.01左右，高聚物 0.2左右（例如PMMA的切變屈服為0.25，壓縮屈服為0.13）(2)屈服過(guò)程有應(yīng)變軟化現(xiàn)象： 許多高聚物在過(guò)屈服點(diǎn)后均有一個(gè)應(yīng)力不太大的下降，叫 應(yīng)變軟化，這時(shí)應(yīng)變?cè)龃?，?yīng)力反而下降。 (3)屈服應(yīng)力依賴應(yīng)變速率： 應(yīng)變速率增大，屈服應(yīng)力增大。 (4)屈服應(yīng)力依賴于溫度：

18、 溫度升高，屈服應(yīng)力下降。溫度達(dá)到 Tg 時(shí)，屈服應(yīng)力等于0 (5)屈服應(yīng)力受流體靜壓力的影響： 壓力增大，屈服應(yīng)力增大。 (6)高聚物屈服應(yīng)力不等于壓縮屈服應(yīng)力，一般后者大一些。 所以高聚物取向薄膜不同方向上的屈服應(yīng)力差別很大。 (7)高聚物在屈服時(shí)體積略有縮小。 4-2 高聚物的斷裂與強(qiáng)度高聚物的斷裂與強(qiáng)度1.脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂 從實(shí)用觀點(diǎn)來(lái)看，高聚物材料的最大優(yōu)點(diǎn)是它們內(nèi)在 的韌性，也就是說(shuō)它在斷裂前能吸收大量的能量，但是 這種內(nèi)在的韌性不是總是能表現(xiàn)出來(lái)的，由于加載方式、 溫度、應(yīng)變速率、試樣形狀、大小等的改變卻會(huì)使韌性 變壞，甚至?xí)嘈詳嗔?，而材料的脆性斷裂是工程上?/p>