gfz5公選(力學性能)

第五章：高分子材料的基本

性能目的：掌握高分子材料的基本性能的普遍規(guī)律

-------核心能夠運用結構及分子運動基本理論進行分析

力學性能熱性能電性能溶解、滲透性能老化性能燃燒性能＃分子設計及改性的基本思路及途徑基本內(nèi)容物理性能化學性能

三種力學狀態(tài)：粘流態(tài)：高彈態(tài)：玻璃態(tài)（結晶態(tài)）粘彈性：粘性彈性§5.1力學性能一、高聚物的流動性（流變性基礎簡介）

1、特征粘度大；分子量越大，粘度越大；分布越寬，粘度越大；流動機理：分子重心相對位移，是由鏈段的相繼躍遷實現(xiàn)的伴有高彈形變－－－具有粘彈性

現(xiàn)象：出口膨大、爬桿效應、融體破裂§5.1力學性能高分子的“蛇行”蠕動4）是一假塑性流體：A、基本名詞：剪切應力、剪切速率

隨剪切速率（剪切應力的增加，表觀粘度下降的流體）§5.1力學性能一、高聚物的流動性？？？B、假塑性原因大分子延剪切力方向的取向，及帶來的解纏§5.1力學性能一、高聚物的流動性B、冪律方程：τ

＝Kγ

nn=1:牛頓流體（曲線2）n<1：假塑性流體（曲線1）n>1:脹流性流體（曲線4）n:非牛頓指數(shù)；D、觸變性流體：t延長，粘度迅速下降；（例：重防腐涂料中的應用）震凝性流體：反之

全剪切應力下的流變曲線曲線3：賓漢流體§5.1力學性能一、高聚物的流動性1、第一牛頓區(qū)2、第二牛頓區(qū)§5.1力學性能一、高聚物的流動性2、與結構的關系（η、

Tf、非牛頓性）1）分子量：

分子量越大，粘度越大，

Tf越高，非牛頓性越大2）分布：

一般越寬：低剪切下：粘度越大，高剪切下：粘度越小

Tf越低，

非牛頓性越大因為：纏結解纏能力§5.1力學性能一、高聚物的流動性3）柔性：

柔性越大，Tf越低，非牛頓性越大（粘度對剪切的敏感性大）剛性越大：粘度對溫度的敏感性越大4）分子間作用力：越大：Tf越高，粘度越高，粘度對溫度的敏感性大§5.1力學性能一、高聚物的流動性2、與結構的關系（η、

Tf、非牛頓性）鏈段活動能力，長鏈的卷曲纏結實際應用的指導意義：塑料成型生產(chǎn)、涂料3、表征粘度：（測定：）

熔融指數(shù)：

在恒定的壓力、溫度下，單位時間內(nèi)流過特定毛細孔（1mm2)聚合物的重量?！?.1力學性能一、高聚物的流動性原材料的重要指標！分子量及分布的綜合體現(xiàn)指導選材、成型工藝的設計力學性能橡膠高彈性對結構的基本要求？橡膠力學性能特征？高彈性的本質？比較順丁橡膠、乙丙橡膠的高彈性能？二、橡膠的高彈性－－鏈段運動的體現(xiàn)，高分子特有1、高彈性的特點：

E（模量）小，為鋼材的1/105

泊松比?。?.5ΔV=0

溫度升高，E增大；（與金屬反之）形變時有熱效應（拉伸時，升溫（放熱））在一定條件下，高彈形變表現(xiàn)明顯的松弛現(xiàn)象－－－時間依賴性§5.1力學性能2、高彈性的本質：熱力學(一、二）定律得：ΔV=0內(nèi)能變化為0鏈段的取向與解取向，是一松弛過程熵彈性

*解釋特征4:

收縮ΔS>0,

ΔQ>0，吸熱熱力學第二定律,等溫可逆過程:ΔQ=TΔS所以：形變過程中，有熱效應形變發(fā)展：拉伸ΔS<0,

ΔQ<0，放熱§5.1力學性能二、橡膠的高彈性(參考)3、σ～ε的關系

特征3：

E與T成正比§5.1力學性能二、橡膠的高彈性(參考)3.σ～λ關系4、橡膠高彈性的結構要求*

1）

柔性好，柔性好的不一定具有高彈性

2）不結晶－－－－無束縛

3)分子量高－－－－提供交聯(lián)度，強度高

4）交聯(lián)－－－－－－無永久性形變§5.1力學性能二、橡膠的高彈性三、粘彈性－－－既具有彈性，又具有粘性明顯的松弛過程－－時間依賴性1、靜態(tài)粘彈性：（非交變）

蠕變：一定T、一定σ，觀察ε～t的變化

應力松弛：一定T、一定ε

，觀察σ～t的變化

ε

＝ε

瞬時彈性＋ε

高彈＋ε

永久

(交聯(lián)－曲線2）1)蠕變、應力松弛現(xiàn)象§5.1力學性能t～τ

原因：鏈段運動，調(diào)節(jié)構象來適應外力力不變，調(diào)節(jié)結果：形變增大－－－－－蠕變形變不變，調(diào)節(jié)結果:內(nèi)力減小，相對的外力變?。瓚λ沙?）應用：工程塑料的尺寸穩(wěn)定性、密封問題等例：4）粘彈模型：建立模型－－模擬曲線－－得到參數(shù)理想粘壺＋理想彈簧Maxwell模型描述應力松弛Kelvin模型描述蠕變串聯(lián)并聯(lián)2）原因：三、粘彈性§5.1力學性能分子運動應力周期性變化：σ＝σ0Sinωt應變：ε

＝ε0Sin（ωt＋δ

）

落后一相位角

滯后：一定溫度下，受交變的應力，形變隨時間的變化跟不上力隨時間的變化結果：產(chǎn)生滯后圈－－能耗（機械能（彈性能）－－熱能）－－－－力學損耗力學損耗因子*：

tan

δ--損耗模量--儲能模量2、動態(tài)粘彈性（滯后）(參考)三、粘彈性§5.1力學性能

影響因素*：

1）結構：分子柔性、分子間作用力等-----τ

2）時間：（1/ω－－t(觀察））

ω小－－t長：鏈段完全跟上

ω大－－t短：鏈段完全跟不上硬，甚至脆

ω適中～t：滯后明顯

tan

δ

有最大值3）溫度：-----τT增大，τ

減小，分析:鏈段運動（時溫等效原理）

應用意義：指導力學（及其它物理）特性的分析及應用，意義大（例：)

理論意義：是分子運動研究的重要手段三、粘彈性§5.1力學性能？？？DDV(動態(tài)黏彈譜儀）四、屈服、強度與斷裂

－－－（玻璃、結晶態(tài)）1、拉伸過程

應力－應變曲線

（冷拉曲線）

一定的溫度、一定的拉伸速度下，觀察應力隨應變的變化曲線2、力學強度3、與結構的關系4、增強與增韌（5、其它力學性能）§5.1力學性能力學特征*：

E-----軟硬A------彈性

S------韌脆ε---延性

SOA-----回彈性強度（σB、σY)-----強弱

1）非晶：曲線分析：

OA---普彈斜率＝EY：屈服：

隨應變增大，應力不變或下降

力去除，形變不可恢復應變增大，應力增大－－應變硬化

B:斷裂脆性斷裂：（σB<σY）

韌性斷裂：----小單元運動1、拉伸過程(非晶、結晶高聚物）§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

屈服過程：剪切形變（45。結構滑移）

銀紋化過程裂縫B屈服:

機理：鏈段在力的強迫下運動（取向），因為T小于Tg，所以不能恢復銀紋化：力（＋環(huán)境）作用下，結構缺陷產(chǎn)生

應力集中，出現(xiàn)發(fā)亮的條紋。運動單元高度取向（m不為零）強迫高彈形變：在Tg以下，在高應力作用下發(fā)生的大形變，且不可恢復銀紋與裂縫的差異？？？1、拉伸過程(非晶、結晶高聚物）§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

C斷裂:

脆性斷裂：沒有屈服，斷裂面光滑；

韌性斷裂：出現(xiàn)屈服后的斷裂，斷裂面粗糙。

T<Tb時：

σB<σY

－－－脆性斷裂1、拉伸過程(非晶、結晶高聚物）§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

2)結晶高聚物的應力~應變曲線

細頸現(xiàn)象明顯運動單元是微晶、鏈段（非晶區(qū)）在較大力作用下的取向，（不可恢復）應變硬化現(xiàn)象明顯存在脆性斷裂問題1、拉伸過程(非晶、結晶高聚物）§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

3)不同力學特征的應力～應變曲線脆而硬：1PS、未交聯(lián)的熱固性樹脂等強而硬：2交聯(lián)的熱固性樹脂（環(huán)氧等）工程塑料強而韌：3、4工程塑料（PC、PAABS等）、PVC軟而韌：5、6PE、軟PVC等

7橡膠軟而弱：8凝膠弱而脆：9

力學特征曲線例注意：相比較而言在不同條件（T、拉伸速度）下,曲線會有變化

1、拉伸過程(非晶、結晶高聚物）§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

4）溫度、時間對曲線的影響

溫度的影響（υ一定）：

T<Tb曲線1、2T<Tg曲線3、4、5T<Tf曲線6、7、8T>Tf曲線9分子運動分析:

時間---1/υ（T一定）：分析：單元運動（時溫等效原理）#1、拉伸過程(非晶、結晶高聚物）§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

作業(yè)：試從分子運動原理或時溫等效原理分析拉伸速度的變化對拉伸曲線的影響注意:

使用時υ趨于很?。L期強度，其遠遠小于所測值，例：PVC:σB(1000h）＝1/2σB

（測）

Tb、Tg測定時，是在一定時間尺度下，（υ比較小，時間長）

實際受力時（特別是在沖擊力時）往往υ很高，例：PVC的Tb=-50度，T使>-30~-15度1、拉伸過程(非晶、結晶高聚物）§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

2、力學強度1）幾種主要強度

抗張強度：σB＝F/S

抗彎強度：

抗沖擊強度（韌性）

σi=W/bd（kJ/m2)彎曲形變較小時的載荷與撓度§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

2）理論強度》實際強度，σ實=（1/100～1/1000)σ理

而模量接近

原因：缺陷(裂縫、結構的不均一性）

3）強度理論：

應力集中：

Griffith表面能理論（脆性材料）

分子熱漲落理論：要點：裂縫發(fā)展產(chǎn)生新的表面，需要能量γ

，外能H:H<γ,穩(wěn)定；

H>γ,裂縫發(fā)展

2、力學強度§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

2、力學強度§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

鏈斷裂凈頻率：壽命：2、力學強度§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

3、強度與結構的關系

1）

分子量：越大，σ越大，

屈服σ、E不變-----韌而強（M>MC）2）F分越大，σB

、σY越大，ε

減小，E增大-----強而硬

過大，脆性斷裂

3)交聯(lián)適度σB增大，σY不變，ε

減小，E增大，σi增大

-----強而硬

過度交聯(lián)，σB大幅度減小-------------------------脆4）結晶σY越大隨結晶度增大，σB、E增大，-----強而硬球晶大小、多少－－－小而密－－－強度、抗沖擊好§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

3、強度與結構的關系

6)缺陷（裂紋、氣泡、內(nèi)應力、銀紋等）－－－應力集中，強度大幅度下降

7）增塑劑：－－－分子間作用力下降例：PVC

5）取向：平行取向方向，強度大幅度增加。垂直取向方向，強度大幅度下降§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

3、強度與結構的關系

4、增強與增韌1）增強:

A、結晶、取向、交聯(lián)

B、活性粉末增強，

作用：吸附－－相當物理交聯(lián)傳遞應力－－均勻分布載荷，一鏈斷，其他鏈仍起作用。偶聯(lián)劑使惰性粉末具有“活性”

納米粉末增強

§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

分子運動、聚集態(tài)結構、復合、合金化C：纖維增強4、增強與增韌§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

纖維增強機理：

纖維模量大于基體，相同應變下，纖維承載大；抑制裂紋效應

黏附作用，傳遞應力；短纖維起作用§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

4、增強與增韌增韌------S增大橡膠增韌共聚、共混例：HIPS

多重裂紋化理論剪切屈服理論剪切屈服的裂紋理論§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

4、增強與增韌

纖維增韌（主要對于熱固性樹脂）§5.1力學性能

四屈服、強度與斷裂

4、增強與增韌5、其它力學性能1）

疲勞

:

在周期性交變應力作用下，在低于靜態(tài)