高分子材料的力學(xué)性能分解

高分子材料的強(qiáng)度理論主講人：謝家振班級(jí)：金材普2011-01學(xué)號(hào)：20114408841、高分子材料強(qiáng)度的微觀理論2、高聚物的理論強(qiáng)度3、高聚物的主要力學(xué)強(qiáng)度4、影響高聚物強(qiáng)度的因素主要內(nèi)容高聚物的斷裂最終是主價(jià)鍵的斷裂材料的強(qiáng)度大小取決于主價(jià)鍵和次價(jià)鍵的強(qiáng)度。1、高分子材料強(qiáng)度的微觀理論①.理論強(qiáng)度的原子分子論述主價(jià)鍵（化學(xué)鍵），鍵能較高，約100KCa·mol-1。次價(jià)鍵（范德華力），約10KCa·mol-1以上。材料的本征裂開能只有次價(jià)鍵的斷裂，則各向同性高聚物，σb約為E/50~E/100大多數(shù)固體材料的理論E間的關(guān)系：理論強(qiáng)度等于微觀應(yīng)變假設(shè)試樣形變時(shí)宏觀應(yīng)變材料E(MPa)σth（MPa）σb(MPa)典型玻璃態(tài)高聚物PMMA典型結(jié)晶高聚物如HDPE熱固性高聚物如環(huán)氧樹脂取向高聚物纖維如尼龍6聚雙乙炔單晶纖維3000～20003500600060,000300～20035060060005020705002000表4-1實(shí)際拉伸強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的比較主價(jià)鍵從完整態(tài)A轉(zhuǎn)變到斷裂狀態(tài)B是一個(gè)活化過(guò)程，可用化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法處理，建立強(qiáng)度的動(dòng)力學(xué)理論。②.動(dòng)力學(xué)理論（Zhurkov理論）2、高聚物的理論強(qiáng)度

高分子反抗斷裂的實(shí)力稱為高分子的強(qiáng)度。高分子材料的破壞可能是高分子主鏈的化學(xué)鍵斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。從分子水平上看，高分子的斷裂要破壞分子內(nèi)的化學(xué)鍵和分子間的范德華力與氫鍵。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞可歸結(jié)為以下三種狀況：化學(xué)鍵破壞分子間滑脫范德華力或氫鍵破壞理論強(qiáng)度的計(jì)算1.化學(xué)鍵舉例：共價(jià)鍵的鍵能為335～378KJ/mol（5～610-19J/鍵）鍵長(zhǎng)1.5埃，兩個(gè)原子的相互吸引力f＝w/d＝3～410-9N/鍵，對(duì)聚乙烯分子截面為2010－20m2則可以計(jì)算最大理論強(qiáng)度：21010N/m2，而實(shí)際的抗張強(qiáng)度僅為108N/m2。緣由：實(shí)際的聚合物達(dá)不到那種完全規(guī)整的水平，存在應(yīng)力集中（雜質(zhì)，小裂紋，空隙，缺口）的缺點(diǎn)。2.分子間滑脫：斷裂須要破壞分子鏈尺寸范圍內(nèi)的分子間作用力。氫鍵：20KJ/mol，假設(shè)0.5nm有一個(gè)氫鍵，分子間的滑脫尺寸為100nm總能量可以達(dá)到4000KJ/mol，即使沒(méi)有氫鍵，05.nm的鏈段的內(nèi)聚能假設(shè)為5KJ/mol，100nm長(zhǎng)的分子鏈的內(nèi)聚能1000KJ/mol，比化學(xué)鍵來(lái)的高，所以發(fā)生這種斷裂是不行能的。3.斷裂須要克服的是斷面部分的分子間力，氫鍵：20KJ/mol，作用范圍0.3nm，破壞一個(gè)氫鍵須要110-10N，范德華力8KJ/mol，作用范圍0.4nm，破壞一對(duì)范德華力須要310-10N，假設(shè)每0.25nm2有一個(gè)氫鍵或范德華鍵，拉伸強(qiáng)度為4108Pa，1.2108Pa。在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)度在幾千MPa，而實(shí)際只有幾十MPa。PA,60MPaPPO,70MPa理論值與試驗(yàn)結(jié)果相差緣由樣條存在缺陷應(yīng)力集中可能導(dǎo)致聚合物強(qiáng)度下降的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)微環(huán)節(jié)示意圖層間區(qū)（無(wú)定型區(qū)）微區(qū)邊界結(jié)晶區(qū)域

填料粒子（相容性差）

微空洞

分別的異物片晶內(nèi)缺陷交聯(lián)點(diǎn)

次價(jià)鍵

鏈末端

鏈纏結(jié)

3、高聚物的主要力學(xué)強(qiáng)度高聚物的力學(xué)強(qiáng)度張應(yīng)力拉伸強(qiáng)度彎曲力矩抗彎強(qiáng)度壓應(yīng)力抗壓強(qiáng)度拉伸模量彎曲模量循環(huán)應(yīng)力

疲憊強(qiáng)度沖擊

沖擊強(qiáng)度

4、影響高聚物強(qiáng)度的因素凡是有利于提高材料的彈性模量、有利于增加斷裂過(guò)程的表面功和增加分子穩(wěn)定性的因素，都使材料的強(qiáng)度提高；凡是使材料形成弱點(diǎn)而增加應(yīng)力分布的不勻整性的因素，都使材料的強(qiáng)度下降。1化學(xué)結(jié)構(gòu)主鏈含有芳雜環(huán)的高聚物，其強(qiáng)度和模量都比脂肪族主鏈高材料的強(qiáng)度取決于主價(jià)鍵和次價(jià)鍵，因此高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)是影響其強(qiáng)度的根本因素。增加取代基的極性或產(chǎn)生氫鍵可使強(qiáng)度提高，極性基團(tuán)或氫鍵的密度愈大，強(qiáng)度愈高。2分子量超過(guò)最小聚合度，隨分子量增大，材料強(qiáng)度逐步增大。但當(dāng)分子量相當(dāng)大，材料強(qiáng)度主要取決于化學(xué)鍵能的大小，不再依靠分子量而變更。分子量是對(duì)高分子材料力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈性、韌性）起確定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。不同聚合物，要求的最小聚合度不同3結(jié)晶主要影響因素有結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)結(jié)晶度上升，材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、硬度、彈性模量均提高，但斷裂伸長(zhǎng)率和韌性下降勻整小球晶能使材料的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長(zhǎng)和韌性下降伸直鏈晶體的拉伸強(qiáng)度最大，串晶次之，球晶最小4交聯(lián)交聯(lián)可以提高材料抗蠕變實(shí)力，提高斷裂強(qiáng)度。適度交聯(lián)強(qiáng)度增加；過(guò)度交聯(lián)將使材料變脆弱橡膠的拉伸強(qiáng)度與交聯(lián)劑用量的關(guān)系5取向取向使力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，在取向方向得到增加對(duì)于脆性材料，平行于取向方向的強(qiáng)度、模量和伸長(zhǎng)率提高，垂直于取向方向的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率降低。對(duì)于塑性、易結(jié)晶材料，在平行于取向方向的強(qiáng)度、模量提高，在垂直于取向方向的強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率增大。6溫度與形變速率的影響溫度上升，材料屈服強(qiáng)度明顯降低，對(duì)斷裂強(qiáng)度影響較小.拉伸速率提高屈服強(qiáng)度上升.7應(yīng)力集中物缺陷的存在將使材料受力時(shí)內(nèi)部壓力分布不平均，缺陷旁邊范圍內(nèi)的應(yīng)力急劇地增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)壓力平均值，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，缺陷就是應(yīng)力集中物纖維直徑減小有利于減小纖維表里的差別，降低缺陷出現(xiàn)的概率。銳口的小裂縫甚至比鈍口的較大缺陷造成更大的應(yīng)力集中8填料和增塑劑惰性填料增加作用：在較低的填充范圍內(nèi)，填充后的高聚物