第8章_聚合物的屈服與斷裂

1、1The yielding and fracture of polymers28.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服nInstron Tensile Testor 電子拉力機電子拉力機nMaterial testing machine 材料試驗機材料試驗機玻璃態(tài)聚合物在不同溫度下的應(yīng)力玻璃態(tài)聚合物在不同溫度下的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線8.1.1 The tensile stress-strain curves 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線3應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀取決于應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀取決于: : 化學組成化學組成, ,結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 化學結(jié)構(gòu)化學結(jié)構(gòu) 分子量及其分布分子量及其分布 支化交聯(lián)支化交

2、聯(lián) 結(jié)晶及取向結(jié)晶及取向 物理結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu) 晶區(qū)大小與形狀晶區(qū)大小與形狀 加工形態(tài)加工形態(tài) 試驗測試條件試驗測試條件溫度、速率等溫度、速率等高聚物的力學性能的描述高聚物的力學性能的描述應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線4AAEAYBYielding point 屈服點屈服點Point of elastic limit 彈性極限點彈性極限點ABAYBStrain softening 應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化Cold drawing 冷拉冷拉Strain hardening 應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化Breaking point 斷裂點斷裂點5你能解你能解釋嗎？釋嗎？彈性形變彈性形變屈服屈服應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化冷拉冷拉應(yīng)變硬化應(yīng)

3、變硬化斷裂斷裂從分子運動機理解釋形變過程從分子運動機理解釋形變過程 6OYNDBOY段段 YN段段ND段段DB段段D點點試樣形狀變化試樣形狀變化第一階段：應(yīng)力隨應(yīng)變線性增加，試樣被均勻拉長，應(yīng)變可達百分之幾第一階段：應(yīng)力隨應(yīng)變線性增加，試樣被均勻拉長，應(yīng)變可達百分之幾到十幾；到十幾；第二階段：出現(xiàn)第二階段：出現(xiàn)“細頸細頸”，隨著應(yīng)變增加，細頸與非細頸部分的截面積，隨著應(yīng)變增加，細頸與非細頸部分的截面積分別維持不變，只是細頸部分不斷擴展，非細頸部分逐漸縮短；分別維持不變，只是細頸部分不斷擴展，非細頸部分逐漸縮短；第三階段：試樣重新被拉伸，應(yīng)力又隨應(yīng)變增加而增大直至斷裂點。第三階段：試樣重新被拉伸

4、，應(yīng)力又隨應(yīng)變增加而增大直至斷裂點。OYY點點YDD點點DB7Y點以前（彈性區(qū)域）：點以前（彈性區(qū)域）：以以Y點為界分為二部分：點為界分為二部分：p除去應(yīng)力，材料能恢復原樣，不留任何永久變形；除去應(yīng)力，材料能恢復原樣，不留任何永久變形；p斜率即為揚氏模量，模量高（小形變斜率即為揚氏模量，模量高（小形變鍵長、鍵鍵長、鍵角變化所致）角變化所致）p出現(xiàn)屈服點之前出現(xiàn)屈服點之前發(fā)生斷裂發(fā)生斷裂脆性斷裂脆性斷裂應(yīng)變應(yīng)力YABAYBAYBA-彈性極限；Y-屈服點；B-斷裂點8p除去外力后，材料不再恢復原樣，而留有永久變形，除去外力后，材料不再恢復原樣，而留有永久變形，我們稱材料我們稱材料“屈服屈服”了；了

5、；pY點以后總的趨勢是載荷幾乎不增加但形變卻增加很點以后總的趨勢是載荷幾乎不增加但形變卻增加很多，形變能力多，形變能力300%300%1000%1000%；p運動單元為鏈段運動單元為鏈段在大外力作用下，玻璃態(tài)高聚物在大外力作用下，玻璃態(tài)高聚物本已凍結(jié)的鏈段開始運動，從而提供大的形變。本已凍結(jié)的鏈段開始運動，從而提供大的形變。Y點以后（塑性區(qū)域）：點以后（塑性區(qū)域）：如果升高溫度到如果升高溫度到Tg，形變能否完全恢復？，形變能否完全恢復？問題問題9定義：玻璃態(tài)聚合物在大外力作用下發(fā)生的大形變。定義：玻璃態(tài)聚合物在大外力作用下發(fā)生的大形變。條件：條件：p 大外力作用；大外力作用；p 合適的溫度范圍

6、：合適的溫度范圍： Tb T Tg ；p 作用速度適當作用速度適當（高彈形變和斷裂（高彈形變和斷裂過程均為松弛過程）過程均為松弛過程）應(yīng)變應(yīng)力YABAYBAYBA-彈性極限；Y-屈服點；B-斷裂點10TT(a) (a) 不同溫度不同溫度a: TTg c: TTg (幾十度)d: T接近Tgb: TTg溫度溫度 0C5070C70C050C試樣試樣-PVC脆斷 韌斷無屈服屈服后斷結(jié)果結(jié)果 11(b) (b) 不同的拉伸速率不同的拉伸速率1234Strain rate拉伸速率拉伸速率Example: PMMA12a: 脆性材料脆性材料 c: 韌性材料韌性材料d: 橡膠橡膠b: 半脆性材料半脆性材料

7、PS, PMMA, 酚醛或環(huán)氧樹脂酚醛或環(huán)氧樹脂PP, PE, PC硬硬PVCNature rubber, PIB(c) 不同的化學結(jié)構(gòu)不同的化學結(jié)構(gòu)13與非晶態(tài)聚合與非晶態(tài)聚合物的拉伸機理物的拉伸機理相同嗎？相同嗎？14相似之處：相似之處：兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應(yīng)變硬化等階段，其中大形變在室溫時都不能自發(fā)回變以及應(yīng)變硬化等階段，其中大形變在室溫時都不能自發(fā)回復，而加熱后則產(chǎn)生回復，故本質(zhì)上兩種拉伸過程造成的大復，而加熱后則產(chǎn)生回復，故本質(zhì)上兩種拉伸過程造成的大形變都是高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為形變都是高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為“

8、冷拉冷拉”。區(qū)別區(qū)別：（1 1）產(chǎn)生冷拉的溫度范圍不同，玻璃態(tài)聚合物的冷拉產(chǎn)生冷拉的溫度范圍不同，玻璃態(tài)聚合物的冷拉溫度區(qū)間是溫度區(qū)間是Tg Tg 到到Tb Tb ，而結(jié)晶聚合物則為，而結(jié)晶聚合物則為TgTg至至TmTm； （2 2）玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比）玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比晶態(tài)聚合物簡單得多，它只發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相晶態(tài)聚合物簡單得多，它只發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變，而后者尚包含有變，而后者尚包含有結(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程結(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程。15The Size of Spherulites 球晶大小球晶大小16The

9、 Degree of Crystallization 結(jié)晶度結(jié)晶度17“軟軟”和和“硬硬”用于區(qū)分模量的低或高，用于區(qū)分模量的低或高，“弱弱”和和“強強”是指強度的大小，是指強度的大小，“脆脆”是指無屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長很是指無屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長很小，小，“韌韌”是指其斷裂伸長和斷裂應(yīng)力都較高的情況。是指其斷裂伸長和斷裂應(yīng)力都較高的情況。 軟而弱軟而弱硬而脆硬而脆硬而強硬而強軟而韌軟而韌硬而韌硬而韌18力力 學學 參參 量量 力力 學學 性性 質(zhì)質(zhì) 彈性模量彈性模量 剛性剛性屈服點屈服點 彈性彈性斷裂伸長斷裂伸長 延性延性屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力 強度（斷裂強度、抗拉強度）強度（斷裂強度、抗拉強度）

10、應(yīng)力應(yīng)變曲線下部的面積應(yīng)力應(yīng)變曲線下部的面積 韌性韌性彈性線下部的面積彈性線下部的面積 回彈性回彈性19AAEAYBABAYB小結(jié)小結(jié)20TT拉伸速率拉伸速率212223 聚合物的屈服強度聚合物的屈服強度 聚合物的楊氏模量聚合物的楊氏模量 聚合物的聚合物的 斷裂強度斷裂強度 聚合物的斷裂伸長率聚合物的斷裂伸長率 聚合物的斷裂韌性聚合物的斷裂韌性（Y點強度）點強度）（OA段斜率）段斜率）（B點強度）點強度） （B點伸長率）點伸長率）（曲線下面積）（曲線下面積）從應(yīng)力從應(yīng)力應(yīng)變曲線可以獲得的被拉伸聚合物的信息應(yīng)變曲線可以獲得的被拉伸聚合物的信息24高聚物屈服點前形變是完全可以回復的，屈服點高聚物屈

11、服點前形變是完全可以回復的，屈服點后高聚物將在恒應(yīng)力下后高聚物將在恒應(yīng)力下“塑性流動塑性流動”，即鏈段沿外，即鏈段沿外力方向開始取向。力方向開始取向。高聚物在屈服點的應(yīng)變相當大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)楦呔畚镌谇c的應(yīng)變相當大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)?0%-20%（與金屬相比）。（與金屬相比）。屈服點以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)屈服點以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化，有些，有些還非常迅速。還非常迅速。屈服應(yīng)力對應(yīng)變速率和溫度都敏感。屈服應(yīng)力對應(yīng)變速率和溫度都敏感。屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產(chǎn)生屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產(chǎn)生“銀紋銀紋”或或“剪剪切帶切帶”,繼而整個樣條局部出現(xiàn)繼而整個樣條局部出現(xiàn)“”。屈服主要特征

12、8.1.2 屈服屈服-冷拉機理冷拉機理25Strain softening 應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化 應(yīng)變軟化：屈服后，應(yīng)變增加，應(yīng)力反而有稍許下應(yīng)變軟化：屈服后，應(yīng)變增加，應(yīng)力反而有稍許下跌的現(xiàn)象（原因至今尚不清楚）。跌的現(xiàn)象（原因至今尚不清楚）。呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細頸。呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細頸。塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。發(fā)生發(fā)生“取向硬化取向硬化”，應(yīng)力急劇上升。，應(yīng)力急劇上升。試樣斷裂。試樣斷裂。彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱為彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱為繼續(xù)屈服，包括：繼續(xù)屈服，包括：26樣條尺寸：

13、橫截面小的地方樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方 出現(xiàn)出現(xiàn)“細頸細頸”的位置的位置自由體積增加自由體積增加松弛時間變短松弛時間變短出現(xiàn)出現(xiàn)“細頸細頸”的原因的原因無外力無外力有外力有外力 RTEe0RTaEe0Necking 細頸與剪切帶細頸與剪切帶細頸細頸: :屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細的現(xiàn)象。屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細的現(xiàn)象。 27屈服機理屈服機理（1）剪切屈服）剪切屈服（2）銀紋屈服）銀紋屈服28現(xiàn)象現(xiàn)象：韌性高聚物在拉伸至屈服點時，?？梢娫嚇由铣觯喉g性高聚物在拉伸至屈服點時，?？梢娫嚇由铣霈F(xiàn)與拉伸方向成現(xiàn)與拉伸方向成45角的剪切滑移變形帶。角的剪切

14、滑移變形帶。n 對韌性材料來說，拉伸時對韌性材料來說，拉伸時45 斜截面上的最大切應(yīng)斜截面上的最大切應(yīng)力首先達到材料的剪切強度，所以首先出現(xiàn)與拉伸力首先達到材料的剪切強度，所以首先出現(xiàn)與拉伸方向成方向成45 的剪切滑移變形帶的剪切滑移變形帶-細頸細頸。n因為變形帶中分子鏈的取向度高，故變形逐步向整因為變形帶中分子鏈的取向度高，故變形逐步向整個試樣擴展。個試樣擴展。（1）剪切屈服剪切屈服29n通常，韌性材料最大切應(yīng)力首先達到抗剪強度，所以材通常，韌性材料最大切應(yīng)力首先達到抗剪強度，所以材料先屈服。料先屈服。 脆性材料最大切應(yīng)力達到抗剪強度之前，真脆性材料最大切應(yīng)力達到抗剪強度之前，真應(yīng)力已超過材

15、料強度，所以材料來不及屈服就已斷裂。應(yīng)力已超過材料強度，所以材料來不及屈服就已斷裂。n因此韌性材料因此韌性材料-斷面粗糙斷面粗糙-明顯變形明顯變形 n 脆性材料脆性材料-斷面光滑斷面光滑-斷面與拉斷面與拉 伸方向垂直伸方向垂直30為什么會出現(xiàn)細頸？為什么會出現(xiàn)細頸？ 應(yīng)力最大處。應(yīng)力最大處。哪里的應(yīng)力最大？哪里的應(yīng)力最大？31Fa anFa asa aFF橫截面橫截面A0, 受到的應(yīng)力受到的應(yīng)力 0=F/A0斜截面斜截面Aa a = A0 / cosa=Fcosa a=Fsina a法向應(yīng)力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力2nn0F= cos Ass0F1= sin2A2a32Discussiona

16、a = 0 a an = 0 a as = 0a a = 45 a an = 0/2 a as = 0/2a a = 90 a an =0 a as =0200coscos/cosnFAaaaa001sin cossin22sFAaaaa 0 /2 0a a0o45o90oa aana aas33抵抗外力的方式抵抗外力的方式抗張強度：抵抗拉力的作用抗張強度：抵抗拉力的作用抗剪強度：抵抗剪力的作用抗剪強度：抵抗剪力的作用兩種兩種當應(yīng)力當應(yīng)力 0增加時，增加時，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同在在45o時時, 切向應(yīng)力最大切向應(yīng)力最大抗張強度什么面最大？抗張強度什么

17、面最大？ a a=0 ， a an= 0抗剪強度什么面最大？抗剪強度什么面最大？ a a=45 ， a as= 0/2 0 0 /2a a0o45o90oa aana aas34切應(yīng)力雙生互等定律切應(yīng)力雙生互等定律012sa01sin22saa兩個互相垂直的斜面上的剪應(yīng)力的數(shù)值相等，方向相反，兩個互相垂直的斜面上的剪應(yīng)力的數(shù)值相等，方向相反，他們是不能單獨存在的，總是同時出現(xiàn)。他們是不能單獨存在的，總是同時出現(xiàn)。35聚合物屈服的表現(xiàn)形式聚合物屈服的表現(xiàn)形式36(2) (2) 銀紋（銀紋（CrazingCrazing）機理）機理銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，在張應(yīng)力作用下，于材料某銀紋現(xiàn)象為聚合物所特

18、有，在張應(yīng)力作用下，于材料某些薄弱地方出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，些薄弱地方出現(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)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為以至于在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為100m、寬度為、寬度為10 m左右、厚度約為左右、厚度約為1 m的微細凹槽的微細凹槽的現(xiàn)象的現(xiàn)象分分類類環(huán)境銀紋環(huán)境銀紋溶劑銀紋溶劑銀紋應(yīng)力銀紋應(yīng)力銀紋37Microstructure of crazing微纖微纖 Microfibril微纖平行與外力方向，銀紋長度方微纖平行與外力方向，銀紋長度方向與外力垂直。向與外力垂直。也稱為銀紋質(zhì)也稱為銀紋質(zhì)38銀紋不是空的，銀紋體

19、的密度為銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的本體密度的50%，折光指數(shù)也低，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，因此在于聚合物本體折光指數(shù)，因此在銀紋和本體之間的界面上將對光銀紋和本體之間的界面上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會使銀紋消失。加熱退火會使銀紋消失 。F39銀銀紋紋的的擴擴展展中間分子鏈斷裂中間分子鏈斷裂擴展擴展形成裂紋形成裂紋銀紋在外力作用下可進一步發(fā)展為破壞性的裂紋；銀紋在外力作用下可進一步發(fā)展為破壞性的裂紋；另一方面，銀紋的大量形成是吸收能量的過程，是實另一方面，銀紋的大量形成是吸

20、收能量的過程，是實現(xiàn)材料屈服的一種形式?，F(xiàn)材料屈服的一種形式。40細頸、剪切帶和銀紋比較細頸、剪切帶和銀紋比較主要區(qū)別主要區(qū)別細頸、剪切帶細頸、剪切帶銀紋銀紋形變量形變量形變量大形變量大10100%形變量小形變量小 10%曲線特征曲線特征有明顯的屈服點有明顯的屈服點無明顯的屈服點無明顯的屈服點體積體積體積幾乎不變體積幾乎不變體積增加體積增加冷拉冷拉裂縫裂縫一般來講，既有銀紋屈服也有剪切屈服一般來講，既有銀紋屈服也有剪切屈服結(jié)果結(jié)果力力張應(yīng)力張應(yīng)力主要相同點主要相同點: :吸收能量吸收能量剪切力剪切力418.2 聚合物的斷裂與強度聚合物的斷裂與強度8.2.1 脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂

21、42脆性斷裂脆性斷裂： 屈服前斷裂屈服前斷裂 的關(guān)系是線性（或微曲）的關(guān)系是線性（或微曲） 斷裂應(yīng)變低于，斷裂能不大斷裂應(yīng)變低于，斷裂能不大 斷裂面光滑斷裂面光滑韌性斷裂韌性斷裂： 屈服后斷裂屈服后斷裂 關(guān)系非線性關(guān)系非線性 斷裂前形變大得多，斷裂能很大斷裂前形變大得多，斷裂能很大 斷裂面粗糙斷裂面粗糙43n在恒定的應(yīng)變速率下：低溫脆性形式向高溫韌性形在恒定的應(yīng)變速率下：低溫脆性形式向高溫韌性形式轉(zhuǎn)變式轉(zhuǎn)變n在恒定溫度下：應(yīng)變速率上伸，表現(xiàn)為脆性形式；在恒定溫度下：應(yīng)變速率上伸，表現(xiàn)為脆性形式；應(yīng)變速率下降，表現(xiàn)為韌性形式應(yīng)變速率下降，表現(xiàn)為韌性形式試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除此

22、之外試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度T T 和拉伸速和拉伸速率率 有關(guān)有關(guān)。44材料的斷裂方式分析：材料的斷裂方式分析：理論值理論值45在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強度在幾千度在幾千MPa，而實際只有幾十，而實際只有幾十Mpa 。e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPa46材料存在缺陷材料存在缺陷，受力時材料內(nèi)部的應(yīng)力平均分布狀，受力時材料內(nèi)部的應(yīng)力平均分布狀態(tài)將發(fā)生變化，使缺陷附近局部范圍內(nèi)的應(yīng)力急劇態(tài)將發(fā)生變化，使缺陷附近局部范

23、圍內(nèi)的應(yīng)力急劇增加，遠遠超過平均值，稱為增加，遠遠超過平均值，稱為應(yīng)力集中應(yīng)力集中。缺陷就是應(yīng)力集中物，包括裂縫、孔隙、缺口、銀缺陷就是應(yīng)力集中物，包括裂縫、孔隙、缺口、銀紋、雜質(zhì)等，它們成為材料破壞的薄弱環(huán)節(jié)，嚴重紋、雜質(zhì)等，它們成為材料破壞的薄弱環(huán)節(jié)，嚴重降低材料的強度降低材料的強度。銀紋如果不發(fā)展為裂紋，對材料的沖擊強度提高有銀紋如果不發(fā)展為裂紋，對材料的沖擊強度提高有貢獻。貢獻。47polymer based concrete containing spherical inorganic particles48fatigue fracture surface49Griffith cra

24、ck theory斷裂理論斷裂理論為什么材料的實際強度遠為什么材料的實際強度遠遠低于理論強度？遠低于理論強度？存在缺陷存在缺陷為什么在缺陷處斷裂？為什么在缺陷處斷裂？缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力多大？缺陷處應(yīng)力多大？Griffith theory50Griffith crack theory 斷裂理論斷裂理論討論什么時候裂紋開始擴展討論什么時候裂紋開始擴展aEGccE-彈性儲存能彈性儲存能Gc-拉伸過程中材料所吸收的能量拉伸過程中材料所吸收的能量a-裂縫長度的一半裂縫長度的一半裂縫擴展的臨界應(yīng)力裂縫擴展的臨界應(yīng)力Griffith從能量平衡的觀點分析斷裂過程，結(jié)果：從能量平衡的觀點分析

25、斷裂過程，結(jié)果：脆性斷裂和韌性屈服：脆性斷裂和韌性屈服：復習復習宏觀斷裂方式宏觀斷裂方式PSPS試樣脆性斷裂表面的電鏡照片試樣脆性斷裂表面的電鏡照片 增韌改性增韌改性PVCPVC韌性斷裂表面的韌性斷裂表面的電鏡照片電鏡照片 52高分子材料斷裂過程：高分子材料斷裂過程： 裂紋引發(fā)（成核）裂紋引發(fā)（成核） 裂紋擴展裂紋擴展 ZhurkovZhurkov提出的力化學反應(yīng)模型提出的力化學反應(yīng)模型1 1，某分子鏈處于高應(yīng)力狀態(tài)，某分子鏈處于高應(yīng)力狀態(tài) 2，鏈斷裂，形成鏈端自由基，鏈斷裂，形成鏈端自由基3，自由基反應(yīng)，形成主鏈自由基，自由基反應(yīng)，形成主鏈自由基 4，帶自由基的主鏈斷裂，繼續(xù)反應(yīng)，帶自由基的

26、主鏈斷裂，繼續(xù)反應(yīng)5，多次重復，形成一個亞微觀裂紋，多次重復，形成一個亞微觀裂紋 鏈端自由基；鏈端自由基；主鏈自由基；主鏈自由基；穩(wěn)定的端基穩(wěn)定的端基 53脆韌轉(zhuǎn)變溫度脆韌轉(zhuǎn)變溫度 TbBrittle ductile transition 脆韌轉(zhuǎn)變Tb脆化溫度，脆化點脆化溫度，脆化點在一定速率下（不同溫度）在一定速率下（不同溫度）測定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，測定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作作斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力和和屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力隨溫隨溫度的變化曲線度的變化曲線材料的脆性斷裂和韌性屈服是兩個獨立的過程：材料的脆性斷裂和韌性屈服是兩個獨立的過程：54脆性斷裂和韌性斷裂判斷：脆性斷裂和韌性斷裂判斷：TTb,

27、 先達到 y，韌韌性斷裂55斷裂應(yīng)力受溫度影響不大，而屈斷裂應(yīng)力受溫度影響不大，而屈服應(yīng)力受溫度影響很大；服應(yīng)力受溫度影響很大；材料一般使用溫度：材料一般使用溫度：T TbTb越低材料韌性越好。越低材料韌性越好。56在一定溫度下（不同應(yīng)變速在一定溫度下（不同應(yīng)變速率）測定的斷裂應(yīng)力和屈服率）測定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力和和屈服應(yīng)屈服應(yīng)力力隨應(yīng)變速率的變化曲線。隨應(yīng)變速率的變化曲線。斷裂應(yīng)力受斷裂應(yīng)力受應(yīng)變速率應(yīng)變速率影響不大，而屈服應(yīng)力受影響不大，而屈服應(yīng)力受應(yīng)變速應(yīng)變速率率影響很大；影響很大；在低應(yīng)變速率下是韌性材料，在高應(yīng)變速率下將會發(fā)在低應(yīng)變速率下是韌性材料，在高

28、應(yīng)變速率下將會發(fā)生脆性斷裂。生脆性斷裂。57TbTgTfTdThree statesTgTf58Example PC聚碳酸酯聚碳酸酯Tg=150CTb=-20C室溫下易不易碎？室溫下易不易碎？59Example PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100CTb=90C室溫下脆還是韌？室溫下脆還是韌？60Acrylic-PMMA618.2.2 聚合物的強度聚合物的強度機械強度是材料抵抗外力破壞的能力；機械強度是材料抵抗外力破壞的能力；對于各種不同的破壞力，有不同的強度指標：對于各種不同的破壞力，有不同的強度指標：62強度是指物質(zhì)抵強度是指物質(zhì)抵抗破壞的能力抗破壞的能力63單位：單位：M

29、Pa 1 MPa = 9.8 kg/cm2 10 kg/cm2 （1）拉伸強度：標準）拉伸強度：標準試樣沿軸向拉伸斷裂前承受的試樣沿軸向拉伸斷裂前承受的最大載最大載荷荷P 與試樣的截面積之比與試樣的截面積之比tPbd測試標準方法：企標、部標、國標、測試標準方法：企標、部標、國標、ISO64屈服強度屈服強度斷裂強度斷裂強度中國統(tǒng)一使用拉伸強度中國統(tǒng)一使用拉伸強度 tbdPt650/)/(llbdPEB拉伸模量（拉伸模量（EB）：拉伸初始階段的應(yīng)力與應(yīng)變比例計算。）：拉伸初始階段的應(yīng)力與應(yīng)變比例計算。P形變較小時載荷，虎克形變形變較小時載荷，虎克形變66（2）彎曲強度：）彎曲強度：在規(guī)定試驗條件下

30、，對標準試樣施加在規(guī)定試驗條件下，對標準試樣施加靜彎曲力矩，直到試樣折斷為止，取試驗中最大載靜彎曲力矩，直到試樣折斷為止，取試驗中最大載荷荷P，按下式計算：，按下式計算：3034fPlEbdMPa021.5fPlbd繞度繞度 ，試樣著力處的位移，試樣著力處的位移67（3）沖擊強度：）沖擊強度：衡量材料韌性的一種強度指標，為試樣受衡量材料韌性的一種強度指標，為試樣受到?jīng)_擊載荷而折斷時單位截面積所吸收的能量。到?jīng)_擊載荷而折斷時單位截面積所吸收的能量。iWbd68（4）硬度：）硬度：衡量材料表面抵抗機械壓力的能力的一種指標。衡量材料表面抵抗機械壓力的能力的一種指標。布氏硬度布氏硬度、洛氏硬度、邵氏硬

31、度、洛氏硬度、邵氏硬度以一定直徑的硬鋼球壓入以一定直徑的硬鋼球壓入試樣表面，保持一定時間試樣表面，保持一定時間使材料充分變形，并測定使材料充分變形，并測定壓入深度壓入深度h，計算試樣表，計算試樣表面凹痕的表面積，以表面面凹痕的表面積，以表面積上承受的載荷為材料的積上承受的載荷為材料的布氏硬度。布氏硬度。69測定黑色金屬、有色金屬、非金屬材料測定黑色金屬、有色金屬、非金屬材料洛氏硬度洛氏硬度布氏硬度布氏硬度70精確測定橡膠、塑料等材料的硬度精確測定橡膠、塑料等材料的硬度邵氏硬度：邵氏硬度：測量原理：測量原理：具有一定形狀的鋼制壓針，具有一定形狀的鋼制壓針，在試驗力作用下垂直壓入試在試驗力作用下垂

32、直壓入試樣表面，當壓足表面與試樣樣表面，當壓足表面與試樣表面完全貼合時，壓針尖端表面完全貼合時，壓針尖端面相對壓足平面有一定的伸面相對壓足平面有一定的伸出長度出長度L。71以以L值的大小來表征值的大小來表征邵氏硬度邵氏硬度的大小，的大小，L值越大，表示邵爾硬值越大，表示邵爾硬度越低，反之越高。度越低，反之越高。計算公式為：計算公式為： HA=100- L/0.025 硬度計用傳感器測量出壓針位移量，再通過硬度計用傳感器測量出壓針位移量，再通過CPU計算處理，計算處理，得出邵氏得出邵氏A硬度值硬度值 。72邵氏硬度計的分類：邵氏硬度計的分類：A型：型：針尖直徑為針尖直徑為 7.9mm ，測量軟塑

33、料、橡膠、合成橡，測量軟塑料、橡膠、合成橡膠、氈、皮革、打印膠輥的硬度膠、氈、皮革、打印膠輥的硬度 C型：型：測針是一個圓球測針是一個圓球 ，測量泡沫材料和海綿等軟性材料。，測量泡沫材料和海綿等軟性材料。 D型：型：直徑為直徑為 0.2mm ，測量包括硬塑料和硬橡膠的硬度，測量包括硬塑料和硬橡膠的硬度，例如例如:熱塑性塑料熱塑性塑料,硬樹脂，地板材料，保齡硬樹脂，地板材料，保齡 球等，特別適球等，特別適合于現(xiàn)場對橡膠和塑料成品的硬度測量合于現(xiàn)場對橡膠和塑料成品的硬度測量 73（1）引起應(yīng)力集中）引起應(yīng)力集中的缺陷的缺陷（2）高聚物本身結(jié)構(gòu)的影響）高聚物本身結(jié)構(gòu)的影響內(nèi)因內(nèi)因 （3）溫度、拉伸速

34、率）溫度、拉伸速率外因外因74聚合物理論斷裂強度估算值比實際強度大聚合物理論斷裂強度估算值比實際強度大1001000倍倍幾何的不連續(xù)：裂縫、孔隙、缺口、銀紋、溝槽等；幾何的不連續(xù)：裂縫、孔隙、缺口、銀紋、溝槽等；材料的不連續(xù)：雜質(zhì)、共混物中相容性較差的第二組分材料的不連續(xù)：雜質(zhì)、共混物中相容性較差的第二組分等；等；它們成為材料破壞的薄弱環(huán)節(jié)，嚴重它們成為材料破壞的薄弱環(huán)節(jié)，嚴重降低材料的強度降低材料的強度。缺陷缺陷：75鏈末端鏈末端 鏈纏結(jié)鏈纏結(jié) 圖圖 可能導致聚合物強度下降的微觀結(jié)構(gòu)細節(jié)示意圖可能導致聚合物強度下降的微觀結(jié)構(gòu)細節(jié)示意圖次價鍵次價鍵 交聯(lián)點交聯(lián)點 片晶內(nèi)缺陷片晶內(nèi)缺陷分離的異物

35、分離的異物 微空洞微空洞 填料粒子填料粒子（相容性差）（相容性差） 結(jié)晶區(qū)域結(jié)晶區(qū)域 層間區(qū)層間區(qū)（無定型區(qū)）（無定型區(qū)）微區(qū)微區(qū)邊界邊界76化學鍵斷裂化學鍵斷裂所需力最大所需力最大分子間扯分子間扯離所需力離所需力最小最小主要方式主要方式通過斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對強度影響較大通過斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對強度影響較大COnCOOOCH24nCO(CH2)4CONH(CH2)6NHHOH77增加分子鏈間的作用力可提高拉伸強度，如提高增加分子鏈間的作用力可提高拉伸強度，如提高極性或引入氫鍵極性或引入氫鍵 尼龍尼龍66 尼龍尼龍610 PVC HDPE 81.3 58.5 4

36、9 21.638.2MPa78剛性鏈的結(jié)構(gòu)因素使剛性鏈的結(jié)構(gòu)因素使和和 E 均均如含芳雜環(huán)的工程塑料：如含芳雜環(huán)的工程塑料：COnCONHNHOCOnOCOCOnCOOOCH24nCO(CH2)4CONH(CH2)6NHHOH79OOOCCCH3CH3nOCH3nCH3OHCH3CH3nO2NNOOOOnOSOOSOOnOCOOnNNNNm80常見塑料的拉伸和彎曲強度常見塑料的拉伸和彎曲強度81分子間距離增加，作用力減小，拉伸強度降低，分子間距離增加，作用力減小，拉伸強度降低，如如HDPEHDPE和和LDPELDPE。塑料塑料: 如如PE交聯(lián)后拉伸強度可提高交聯(lián)后拉伸強度可提高1倍，但聚合物結(jié)

37、晶度倍，但聚合物結(jié)晶度下降，因而過分交聯(lián)使強度降低。下降，因而過分交聯(lián)使強度降低。 適度的交聯(lián)可以有效增加分子鏈間的聯(lián)系，使分子鏈不易適度的交聯(lián)可以有效增加分子鏈間的聯(lián)系，使分子鏈不易發(fā)生相對滑移。隨交聯(lián)度增加，往往不易發(fā)生大的形變，同發(fā)生相對滑移。隨交聯(lián)度增加，往往不易發(fā)生大的形變，同時材料強度增高。時材料強度增高。熱固性樹脂預聚物：分子量很低，如果不進行交聯(lián)，幾熱固性樹脂預聚物：分子量很低，如果不進行交聯(lián)，幾乎沒有強度（液態(tài)）。固化以后，分子間形成密集的化乎沒有強度（液態(tài)）。固化以后，分子間形成密集的化學交聯(lián)，使斷裂強度大幅度提高。學交聯(lián)，使斷裂強度大幅度提高。 隨交聯(lián)程度提高，橡膠隨交聯(lián)

38、程度提高，橡膠材料的拉伸模量和強度都材料的拉伸模量和強度都大大提高，達到極值強度大大提高，達到極值強度后，又趨于下降；斷裂伸后，又趨于下降；斷裂伸長率則連續(xù)下降。長率則連續(xù)下降。 橡膠的拉伸強度與交聯(lián)劑橡膠的拉伸強度與交聯(lián)劑用量的關(guān)系用量的關(guān)系84分子量是對高分子材料力學性分子量是對高分子材料力學性能（包括強度、彈性、韌性）能（包括強度、彈性、韌性）起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。低分子有機化合物一般沒有力低分子有機化合物一般沒有力學強度（多為液體），高分子學強度（多為液體），高分子材料要獲得強度，必須具有一材料要獲得強度，必須具有一定聚合度，使分子間作用力足定聚合度，使分子間

39、作用力足夠大才行。夠大才行。聚苯乙烯和聚碳酸酯的拉聚苯乙烯和聚碳酸酯的拉伸強度與分子量的關(guān)系伸強度與分子量的關(guān)系85 分子量提高到一定程度以后，對分子量提高到一定程度以后，對斷裂強度的改善就不明顯了，但斷裂強度的改善就不明顯了，但沖擊強度則繼續(xù)增加。沖擊強度則繼續(xù)增加。表表 聚乙烯的斷裂性能與結(jié)晶度的關(guān)系聚乙烯的斷裂性能與結(jié)晶度的關(guān)系結(jié)晶度結(jié)晶度 / 65758595斷裂強度斷裂強度 /MPa14.4182540斷裂伸長率斷裂伸長率 / 50030010020 結(jié)晶對高分子材料力學性能的影響也十分顯著，主要影響因結(jié)晶對高分子材料力學性能的影響也十分顯著，主要影響因素有結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)

40、。素有結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)。 一般影響規(guī)律是：一般影響規(guī)律是： 1 1）隨著結(jié)晶度上升，材料的屈服強度、斷裂強度、硬度、彈）隨著結(jié)晶度上升，材料的屈服強度、斷裂強度、硬度、彈性模量均提高，但斷裂伸長率和韌性下降。這是由于結(jié)晶使分性模量均提高，但斷裂伸長率和韌性下降。這是由于結(jié)晶使分子鏈排列緊密有序，孔隙率低，分子間作用增強所致。子鏈排列緊密有序，孔隙率低，分子間作用增強所致。 3 3）晶體形態(tài)對聚合物拉伸強度的影響規(guī)律是，同一聚合物，）晶體形態(tài)對聚合物拉伸強度的影響規(guī)律是，同一聚合物，伸直鏈晶體的拉伸強度最大，串晶次之，球晶最小。伸直鏈晶體的拉伸強度最大，串晶次之，球晶最小。 2 2）晶

41、粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)對材料強度的影響更大。）晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)對材料強度的影響更大。 均勻小球晶能使材料的強度、伸長率、模量和韌性得到均勻小球晶能使材料的強度、伸長率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長和韌性下降。提高，而大球晶將使斷裂伸長和韌性下降。 大量的均勻小球晶分布在材料內(nèi)，起到類似交聯(lián)點作用，大量的均勻小球晶分布在材料內(nèi)，起到類似交聯(lián)點作用，使材料應(yīng)力使材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線由軟而弱型轉(zhuǎn)為軟而韌型，甚至轉(zhuǎn)為有應(yīng)變曲線由軟而弱型轉(zhuǎn)為軟而韌型，甚至轉(zhuǎn)為有屈服的硬而韌型。屈服的硬而韌型。 因此改變結(jié)晶歷史，如采用淬火，或添加成核劑，如在聚因此改變結(jié)晶歷史，如采用淬火，或添加成核劑，如在聚丙烯

42、中添加草酸酞作為晶種，都有利于均勻小球晶生成，從丙烯中添加草酸酞作為晶種，都有利于均勻小球晶生成，從而可以提高材料強度和韌性。而可以提高材料強度和韌性。聚丙烯應(yīng)力聚丙烯應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變曲線與球晶尺寸的關(guān)系曲線與球晶尺寸的關(guān)系表表7-3 聚丙烯拉伸性能與球晶尺寸的關(guān)系聚丙烯拉伸性能與球晶尺寸的關(guān)系m球晶尺寸球晶尺寸 /拉伸強度拉伸強度 / MPa斷裂伸長率斷裂伸長率 / 1030.050010022.52520012.525 對于脆性材料，取向使材料在平行于取向方向的強度、模對于脆性材料，取向使材料在平行于取向方向的強度、模量和伸長率提高，甚至出現(xiàn)脆量和伸長率提高，甚至出現(xiàn)脆-韌轉(zhuǎn)變，而在垂直于取

43、向方向韌轉(zhuǎn)變，而在垂直于取向方向的強度和伸長率降低。的強度和伸長率降低。 加工過程中分子鏈沿一定方向取向，使材料力學性能產(chǎn)生加工過程中分子鏈沿一定方向取向，使材料力學性能產(chǎn)生各向異性，在取向方向得到增強。各向異性，在取向方向得到增強。 對于延性、易結(jié)晶材料，在平行于取向方向的強度、模對于延性、易結(jié)晶材料，在平行于取向方向的強度、模量提高，在垂直于取向方向的強度下降，伸長率增大。量提高，在垂直于取向方向的強度下降，伸長率增大。90增塑劑起到稀釋劑的作用，減小了高分子鏈之間的增塑劑起到稀釋劑的作用，減小了高分子鏈之間的作用。作用。增塑劑含量機械性能伸長率沖擊強度抗張強度抗壓強度增塑劑含量，材料伸長

44、率、抗壓強度、抗張強度、硬度、彈性模量；沖擊隨加入量先升后降。91聚合物聚合物8.2.3 聚合物的增強聚合物的增強 Reinforcement金金 屬屬力學強度與剛度：力學強度與剛度：473聚甲醛聚甲醛 未增強未增強6866074.52.75383聚甲醛聚甲醛 增強增強8241.5425.59441 均含玻璃纖維均含玻璃纖維20-40%補強作用與混凝土中鋼筋的作用相似。補強作用與混凝土中鋼筋的作用相似。材料受到應(yīng)力時，纖維和樹脂的應(yīng)變相同，纖維的高強材料受到應(yīng)力時，纖維和樹脂的應(yīng)變相同，纖維的高強度承受應(yīng)力，樹脂的塑性流動及對纖維的粘附力傳遞應(yīng)度承受應(yīng)力，樹脂的塑性流動及對纖維的粘附力傳遞應(yīng)力

45、；基體抑制裂紋傳播的能力強。力；基體抑制裂紋傳播的能力強。纖維增強的機理纖維增強的機理107 由此可見，纖維增強塑料時，纖維與樹脂基體界面粘合性由此可見，纖維增強塑料時，纖維與樹脂基體界面粘合性的好壞是復合的關(guān)鍵。對于與樹脂親合性較差的纖維，如玻的好壞是復合的關(guān)鍵。對于與樹脂親合性較差的纖維，如玻璃纖維，使用前應(yīng)采用化學或物理方法對表面改性，提高其璃纖維，使用前應(yīng)采用化學或物理方法對表面改性，提高其與基體的粘合力。與基體的粘合力。108玻璃纖維增強玻璃纖維增強PP樹脂，纖樹脂，纖維表面未經(jīng)處理維表面未經(jīng)處理纖維含量：纖維含量：30%（w） 109玻璃纖維增強玻璃纖維增強PP樹脂，纖維樹脂，纖維

46、表面經(jīng)偶聯(lián)處理表面經(jīng)偶聯(lián)處理 纖維含量：纖維含量：30%（w）拉伸強度由上圖的拉伸強度由上圖的40MPa增增至至87MPa沖擊強度由上圖的沖擊強度由上圖的16kJ.m-2增至增至34 kJ.m-2110纖維取向?qū)嗔堰^程的影響纖維取向?qū)嗔堰^程的影響圖圖7-27 7-27 纖維平行于拉伸方向纖維平行于拉伸方向a)a)纖維脫離基體并拔出纖維脫離基體并拔出b)b)部分纖維脫離并拔出，纖維斷裂部分纖維脫離并拔出，纖維斷裂c)c)纖維與基體粘附良好，纖維斷裂纖維與基體粘附良好，纖維斷裂 圖圖7-28 7-28 纖維垂直于拉伸方向纖維垂直于拉伸方向a)a)纖維與基體分離，形成空洞纖維與基體分離，形成空洞

47、b)b)斜纖維脫離基體，纖維斷裂斜纖維脫離基體，纖維斷裂c)c)裂紋在基體內(nèi)或沿邊界擴展裂紋在基體內(nèi)或沿邊界擴展 由此可見，纖維取向使材料出現(xiàn)各向異性。一般平行于纖維取向方向的材料強度由此可見，纖維取向使材料出現(xiàn)各向異性。一般平行于纖維取向方向的材料強度高。斷裂易發(fā)生在垂直于纖維取向方向上。高。斷裂易發(fā)生在垂直于纖維取向方向上。111如玻璃鋼：如玻璃鋼：Glass steel boatglassy fiber+polyester應(yīng)用：應(yīng)用：112輪胎簾子布輪胎簾子布全鋼絲、全鋼絲、半鋼絲、全纖維半鋼絲、全纖維子午線輪胎（真空胎）：子午線輪胎（真空胎）：米其林公司米其林公司1946 113Rac

48、ing bicycleRacing bicycleCarbon fiber114增強機理：熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混物中形成微增強機理：熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混物中形成微纖結(jié)構(gòu)而到增強作用。由于微纖結(jié)構(gòu)是加工過程中由液晶纖結(jié)構(gòu)而到增強作用。由于微纖結(jié)構(gòu)是加工過程中由液晶棒狀分子在共混無物基體中就地形成的，故稱做棒狀分子在共混無物基體中就地形成的，故稱做“原位原位”復合增強。復合增強。熱致液晶熱致液晶+熱塑性聚合物熱塑性聚合物共聚酯，共聚酯， 聚芳酯聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum115指分散相尺度至少有一維小于指分散相尺度至少有一維小于100nm的高性能、高功的高性能

49、、高功能材料。能材料。P244 閱讀閱讀q 增強體形態(tài)可以是納米粒子、納米纖維、納米片層結(jié)構(gòu)增強體形態(tài)可以是納米粒子、納米纖維、納米片層結(jié)構(gòu)等；等；q 在不降低高分子的透明性和韌性的同時，還可提高材料在不降低高分子的透明性和韌性的同時，還可提高材料的力學性能、耐熱性、阻燃性、阻隔性和耐磨擦性能等。的力學性能、耐熱性、阻燃性、阻隔性和耐磨擦性能等。 無機納米粒子：無機納米粒子：SiO2、TiO2、ZrO2、ZnO、Fe3O2等；等； 制備方法：制備方法： 直接分散法直接分散法 ：關(guān)鍵是控制納米粒子的團聚：關(guān)鍵是控制納米粒子的團聚 溶膠凝膠法溶膠凝膠法 插層復合法插層復合法116116插層復合法插

50、層復合法是制備高分子是制備高分子/ /層狀硅酸鹽納米復合材料的層狀硅酸鹽納米復合材料的方法，即將單體或聚合物插入層狀硅酸鹽片層之間，進方法，即將單體或聚合物插入層狀硅酸鹽片層之間，進而破壞硅酸鹽的片層結(jié)構(gòu)，使其剝離成層狀基本單元，而破壞硅酸鹽的片層結(jié)構(gòu)，使其剝離成層狀基本單元，并均勻分散在聚合物基體中，實現(xiàn)高分子與層狀硅酸鹽并均勻分散在聚合物基體中，實現(xiàn)高分子與層狀硅酸鹽在納米尺度上的復合。在納米尺度上的復合。117117一些常見的層狀硅酸鹽一些常見的層狀硅酸鹽 ： 層狀硅酸鹽layered silicates分 子 式Chemical formula蒙 脫 土滑 石鋰蒙脫土沸 石蛭 石Nax

51、(Al2-xMgx)(Si4O10)(OH)mH2OCax/2Mg2(AlxSi4-xO10)(OH)2mH2ONax(Mg3-xLix)(Si4O10)(OH)2mH2O(Na,Ca)x/2(Mg3-xLix)(Si4O10) (OH,F) mH2O(Na,Ca)x/2(Mg3 ) (AlxSi4-x)O10(OH)2mH2O1181182121型層狀硅酸鹽，其基本結(jié)構(gòu)單元是由兩層硅氧四面型層狀硅酸鹽，其基本結(jié)構(gòu)單元是由兩層硅氧四面體中間夾帶一層鋁氧八面體構(gòu)成，兩者之間靠共用氧原子體中間夾帶一層鋁氧八面體構(gòu)成，兩者之間靠共用氧原子連接，如蒙脫土（連接，如蒙脫土（MMTMMT）的結(jié)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)

52、：OOHTetrahedralOctahedralTetrahedralAl, MgSiNa+d001119119120120 插層聚合：插層聚合：聚合物聚合物熔融插層熔融插層聚合物溶液插層聚合物溶液插層121121 插層聚合：先將聚合物單體分散、插層進入層狀硅插層聚合：先將聚合物單體分散、插層進入層狀硅酸鹽片層之間，然后原位聚合，使片層剝離；酸鹽片層之間，然后原位聚合，使片層剝離；將粘土陽離子交換反應(yīng)、聚合物單體插層后的粘土與聚合將粘土陽離子交換反應(yīng)、聚合物單體插層后的粘土與聚合物單體共聚合在反應(yīng)器內(nèi)一次完成。使粘土通過庫侖力與物單體共聚合在反應(yīng)器內(nèi)一次完成。使粘土通過庫侖力與聚合物基體結(jié)合

53、并以納米尺度均勻分散在聚合物基體中，聚合物基體結(jié)合并以納米尺度均勻分散在聚合物基體中，制備成高性能的聚合物制備成高性能的聚合物/粘土納米復合材料。粘土納米復合材料。122122聚合物聚合物熔融插層熔融插層hp插層劑插入到準二維硅酸鹽粘土材料片層間使粘土片層撐插層劑插入到準二維硅酸鹽粘土材料片層間使粘土片層撐開，進而依靠高分子鏈同插層劑有機基團間的相互作用及開，進而依靠高分子鏈同插層劑有機基團間的相互作用及螺桿的剪切力將高分子鏈插入到粘土片層間并將片層解離，螺桿的剪切力將高分子鏈插入到粘土片層間并將片層解離，使粘土達到納米尺度的均勻分散，形成高分子聚合物使粘土達到納米尺度的均勻分散，形成高分子聚

54、合物/粘土粘土納米復合材料。納米復合材料。123123hp與插層聚合法相比，該法不需溶劑、耗時短、操作簡單、與插層聚合法相比，該法不需溶劑、耗時短、操作簡單、效率高、適合大多數(shù)聚合物、易于工業(yè)化應(yīng)用，且性能與效率高、適合大多數(shù)聚合物、易于工業(yè)化應(yīng)用，且性能與原位插層聚合材料相當。但在對聚醚酰亞胺原位插層聚合材料相當。但在對聚醚酰亞胺/粘土等高性能粘土等高性能聚合物聚合物/粘土納米復合材料體系的研究過程中人們發(fā)現(xiàn)，為粘土納米復合材料體系的研究過程中人們發(fā)現(xiàn)，為提高粘土與聚合物相容性而對粘土進行的有機化處理不能提高粘土與聚合物相容性而對粘土進行的有機化處理不能承受熔體插層的高溫，因而該法對高熔點聚

55、合物的應(yīng)用還承受熔體插層的高溫，因而該法對高熔點聚合物的應(yīng)用還有待深入研究。有待深入研究。124124聚合物溶液插層聚合物溶液插層溶液或乳液插層即通過溶液或乳液，將聚合物嵌入片層中。溶液或乳液插層即通過溶液或乳液，將聚合物嵌入片層中。該方法的關(guān)鍵是尋找合適的單體和相容的聚合物粘土礦溶該方法的關(guān)鍵是尋找合適的單體和相容的聚合物粘土礦溶劑體系。對于一些高性能聚合物如聚苯硫醚，則很難找到劑體系。對于一些高性能聚合物如聚苯硫醚，則很難找到溶劑，因此該法對這些聚合物有一定局限性。溶劑，因此該法對這些聚合物有一定局限性。125125ShearOrganoclay particle( 8 m)Stacks

56、of silicate platelets or tactoidsShearing of platelet stacks leads to smaller tactoidsShearStress = ShearDiffusion126126團聚體團聚體 (b) (b) 初級粒子初級粒子 (c) (c) 次級粒子次級粒子 (d) (d) 插層結(jié)構(gòu)插層結(jié)構(gòu) (c) (c) 剝離結(jié)構(gòu)剝離結(jié)構(gòu) 5m 0.5m 聚合物溶液插層中無機物形態(tài)變化：聚合物溶液插層中無機物形態(tài)變化： 127127MMT的有機化的有機化+Sodium MMT*Swollen “Organoclay”R1*R2R3CH3N+Cl-

57、+NaClCationic Surfactant (e.g., alkyl-ammonium chloride)= Na= Alkylammonium128128聚合物溶液插層得到復合材料的微觀聚合物溶液插層得到復合材料的微觀結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：片層完全剝離片層完全剝離246810 Intensity (cps)2 ( )OMMTSPEEK/OMMT(10wt.%) SPEEK/OMMT(5wt.%) SPEEK/OMMT(2wt.%) SPEEK/OMMT(1wt.%) SPEEK(b)HMWLMWTDTD129129良好的增強、阻隔性能良好的增強、阻隔性能02468101020304050 Ten

58、sile strength (MPa)OMMT content (%) SPEEK/OMMT Nafion117203040506070801E-81E-71E-6 Permeability (cm2/S)Temperature (C) Nafion117 SPEEK SPEEK/OMMT(1%) SPEEK/OMMT(2%) SPEEK/OMMT(5%)性能：性能：P245130是衡量材料韌性的一種指標是衡量材料韌性的一種指標dbWi沖斷試樣所消耗的功沖斷試樣所消耗的功沖斷試樣的厚度和寬度沖斷試樣的厚度和寬度增韌劑：增韌劑： elasticizer, plasticizer, softene

59、r8.2.4 聚合物的韌性與增韌聚合物的韌性與增韌 高分子材料抗沖擊強度是指標準試樣受高速沖擊作用高分子材料抗沖擊強度是指標準試樣受高速沖擊作用斷裂時，單位斷面面積（或單位缺口長度）所消耗的能量。斷裂時，單位斷面面積（或單位缺口長度）所消耗的能量。它描述了高分子材料在高速沖擊作用下抵抗沖擊破壞的能它描述了高分子材料在高速沖擊作用下抵抗沖擊破壞的能力和材料的抗沖擊韌性，有重要工藝意義。力和材料的抗沖擊韌性，有重要工藝意義。抗沖擊強度實驗抗沖擊強度實驗抗沖擊強度抗沖擊強度的測定方法的測定方法高速拉伸試驗高速拉伸試驗落錘式?jīng)_擊試驗落錘式?jīng)_擊試驗擺錘式?jīng)_擊試驗擺錘式?jīng)_擊試驗懸臂梁式（懸臂梁式（Izod

60、）簡支梁式（簡支梁式（Charpy）133Charpy 簡支梁簡支梁 采用簡支梁式?jīng)_擊試驗時，將試樣放于支架上（有缺口采用簡支梁式?jīng)_擊試驗時，將試樣放于支架上（有缺口時，缺口背向沖錘），釋放事先架起的沖錘，讓其自由下時，缺口背向沖錘），釋放事先架起的沖錘，讓其自由下落，打斷試樣，利用沖錘回升的高度，求出沖斷試樣所消落，打斷試樣，利用沖錘回升的高度，求出沖斷試樣所消耗的功耗的功A，按下式計算抗沖擊強度：，按下式計算抗沖擊強度：dbWi134Izod 懸臂梁懸臂梁bb 拉伸斷裂實驗中，材料拉伸應(yīng)力拉伸斷裂實驗中，材料拉伸應(yīng)力- -應(yīng)變曲線下的面積應(yīng)變曲線下的面積（下圖）相當于試樣拉伸斷裂所消耗的能