高聚物的力學(xué)強(qiáng)詳解演示文稿

高聚物的力學(xué)強(qiáng)度詳解演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共43頁(yè)。優(yōu)選高聚物的力學(xué)強(qiáng)度當(dāng)前2頁(yè)，總共43頁(yè)。講清高分子材料發(fā)生脆性-韌性轉(zhuǎn)變的幾種方式和影響因素。說(shuō)明高分子材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)小于理論強(qiáng)度的原因。講清影響斷裂強(qiáng)度的因素。詳細(xì)講解材料發(fā)生屈服的主要形式。比較“銀紋”、“剪切帶”、“空穴”的形態(tài)、特點(diǎn)、生成條件和機(jī)理。說(shuō)明它們對(duì)材料屈服的影響。了解高分子材料增強(qiáng)改性的主要方法。增強(qiáng)改性中最重要的科學(xué)問(wèn)題何在。講清抗沖擊強(qiáng)度概念和影響抗沖擊強(qiáng)度的主要因素。建議6學(xué)時(shí)講解重點(diǎn)了解高分子材料增韌改性的主要方法。增韌改性中最重要的科學(xué)問(wèn)題何在。當(dāng)前3頁(yè)，總共43頁(yè)。第1節(jié)高分子材料的應(yīng)力-應(yīng)變特性

1．1應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)及其類(lèi)型

1．1．1單軸拉伸實(shí)驗(yàn)

圖6-1啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣示意圖

（6-2）（6-1）注意此處定義的應(yīng)力σ等于拉力除以試樣原始截面積A0，這種應(yīng)力稱(chēng)為工程應(yīng)力或標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力（nominalstress）；相應(yīng)地，ε

稱(chēng)為工程應(yīng)變或標(biāo)稱(chēng)應(yīng)變（nominalstrain）

當(dāng)前4頁(yè)，總共43頁(yè)。圖7-2典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

典型高分子材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)當(dāng)前5頁(yè)，總共43頁(yè)。（2）極大值Y點(diǎn)稱(chēng)材料的屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱(chēng)屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度）和屈服應(yīng)變。（3）到達(dá)B點(diǎn)發(fā)生斷裂。與B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱(chēng)材料的拉伸強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度）和斷裂伸長(zhǎng)率，它們是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限伸長(zhǎng)率。

（4）曲線(xiàn)下的面積等于（7-3）相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，單位為J?m-3，稱(chēng)斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個(gè)物理量。

曲線(xiàn)特征（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力-應(yīng)變呈直線(xiàn)關(guān)系變化，直線(xiàn)斜率相當(dāng)于材料彈性模量。

當(dāng)前6頁(yè)，總共43頁(yè)。由于高分子材料種類(lèi)繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)具有多種形狀。歸納起來(lái)，可分為五類(lèi)。圖7-3高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的類(lèi)型（a）硬而脆型（b）硬而強(qiáng)型（c）硬而韌型（d）軟而韌型（e）軟而弱型

曲線(xiàn)的類(lèi)型當(dāng)前7頁(yè)，總共43頁(yè)。（a）（b）虛線(xiàn)為工程應(yīng)力曲線(xiàn)；實(shí)線(xiàn)為真應(yīng)力曲線(xiàn)圖6-4（a）圓柱形壓縮實(shí)驗(yàn)樣品；（b）聚碳酸酯的拉伸和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)比看出壓縮強(qiáng)度往往大于拉伸強(qiáng)度。對(duì)拉伸實(shí)驗(yàn)，工程應(yīng)力曲線(xiàn)比真應(yīng)力曲線(xiàn)低；對(duì)壓縮實(shí)驗(yàn)，工程應(yīng)力曲線(xiàn)比真應(yīng)力曲線(xiàn)高。

1．1．2單軸壓縮實(shí)驗(yàn)

當(dāng)前8頁(yè)，總共43頁(yè)。1．2．1溫度的影響圖7-4聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）環(huán)境溫度對(duì)高分子材料拉伸行為的影響十分顯著。溫度升高，分子鏈段熱運(yùn)動(dòng)加劇，松弛過(guò)程加快，表現(xiàn)出材料模量和強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率變大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)形狀發(fā)生很大變化。

材料的拉伸斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化。屈服強(qiáng)度受溫度變化的影響更大些。

1．2影響應(yīng)力-應(yīng)變行為的外部因素

當(dāng)前9頁(yè)，總共43頁(yè)。圖7-5斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)虛線(xiàn)——高拉伸速率實(shí)線(xiàn)——低拉伸速率

在溫度升高過(guò)程中，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。兩曲線(xiàn)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)脆-韌轉(zhuǎn)變溫度。

當(dāng)環(huán)境溫度小于時(shí)，材料的＜，受外力作用時(shí)，材料未屈服前先已斷裂，呈脆性斷裂特征。

環(huán)境溫度高于時(shí)，＞，受外力作用時(shí)，材料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。

材料的脆-韌轉(zhuǎn)變當(dāng)前10頁(yè)，總共43頁(yè)。1．2．2形變速率的影響

減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對(duì)材料拉伸行為有相似的影響，這是時(shí)-溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。

圖7-6斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢(shì)實(shí)線(xiàn)——低環(huán)境溫度虛線(xiàn)——高環(huán)境溫度與脆-韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線(xiàn)交點(diǎn)，可以定義脆-韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率。拉伸速率高于時(shí)，材料呈脆性斷裂特征；低于時(shí)，呈韌性斷裂特征。

拉伸速率對(duì)材料的斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也有明顯影響

。當(dāng)前11頁(yè)，總共43頁(yè)。1．2．3環(huán)境壓力的影響

圖7-7聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)隨環(huán)境壓力的變化（T=31℃）

右圖可見(jiàn)，PS在低環(huán)境壓力（常壓）下呈脆性斷裂特點(diǎn)，強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料強(qiáng)度增高，伸長(zhǎng)率變大，出現(xiàn)典型屈服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)許多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆-韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。兩種轉(zhuǎn)變方式有很大差別。溫度升高使材料變韌，但同時(shí)材料拉伸強(qiáng)度明顯受損。另一方面，升高環(huán)境壓力也使材料變韌，在增韌同時(shí)材料的強(qiáng)度也得到提高，材料變得強(qiáng)而韌。

兩種脆-韌轉(zhuǎn)變的差別當(dāng)前12頁(yè)，總共43頁(yè)。1）剪切屈服

圖6-11拉力作用下聚碳酸酯試樣中產(chǎn)生“頸縮”和剪切屈服帶的照片注意剪切屈服帶與應(yīng)力方向成45度角，出現(xiàn)剪切屈服帶的區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)“頸縮”剪切屈服是最重要的屈服形式。拉伸應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中，試樣發(fā)生屈服時(shí)在試樣中部經(jīng)常出現(xiàn)“頸縮”（neck-down）現(xiàn)象，頸縮處出現(xiàn)與拉伸方向大約成45°角的肩形斜面。

剪切屈服時(shí)材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，包括晶區(qū)、分子束、分子鏈都會(huì)沿剪切方向發(fā)生相對(duì)滑移，消耗大量變形能。在壓縮形變、彎曲形變屈服時(shí)，材料內(nèi)部都可能發(fā)生剪切屈服。剪切屈服時(shí)材料宏觀體積不變。1．3關(guān)于屈服變形的討論

當(dāng)前13頁(yè)，總共43頁(yè)。2）拉伸屈服

（a）（b）圖6-12結(jié)晶聚合物的拉伸屈服a,聚丙烯試樣中球晶間出現(xiàn)微細(xì)纖維（SEM照片）b,聚氨酯試樣中沿球晶邊緣出現(xiàn)空洞（薄膜試樣，TEM照片）

拉伸屈服指在外力作用下，材料內(nèi)部垂直于外力作用方向出現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的撕裂、掙脫、位移，消耗變形能。伴隨拉伸屈服，材料內(nèi)部或表面出現(xiàn)微細(xì)裂紋，稱(chēng)銀紋（craze）；也可能出現(xiàn)微小空洞（cavity），使表觀體積變大。

拉伸屈服也存在于彎曲形變中，試樣彎曲時(shí)在表面伸展的一側(cè)常常出現(xiàn)大量銀紋。

當(dāng)前14頁(yè)，總共43頁(yè)。1．4．1非晶高分子材料的強(qiáng)迫高彈形變

圖7-4聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）研究高聚物拉伸破壞行為時(shí)，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情形。對(duì)于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于＜＜時(shí)，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形，這種變形稱(chēng)強(qiáng)迫高彈形變。

討論1．4強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸”

當(dāng)前15頁(yè)，總共43頁(yè)。圖7-8結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形，這種形變稱(chēng)“冷拉伸”。結(jié)晶聚合物具有與非晶聚合物相似的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)，見(jiàn)圖7-8。

圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔點(diǎn)時(shí)（<），雖然晶區(qū)尚未熔融，材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見(jiàn)圖中曲線(xiàn)3、4、5。這種現(xiàn)象稱(chēng)“冷拉伸”。

討論

1．4．2晶態(tài)高分子材料的“冷拉伸”

當(dāng)前16頁(yè)，總共43頁(yè)。2．1宏觀破壞方式2．

1．

1拉伸斷裂脆性斷裂和韌性斷裂表面

圖7-11PS試樣脆性斷裂表面的電鏡照片圖7-12增韌改性PVC韌性斷裂表面的電鏡照片

第2節(jié)高分子材料的破壞和強(qiáng)度當(dāng)前17頁(yè)，總共43頁(yè)。圖6-21沖擊試樣斷裂表面的普通光學(xué)照片。左圖：脆性試樣；右圖：韌性試樣圖6-22左圖脆性試樣沖擊斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣沖擊斷裂表面的電鏡照片2．

1．

2沖擊斷裂當(dāng)前18頁(yè)，總共43頁(yè)。2．

1．

3疲勞和磨損破壞材料的耐疲勞和耐磨損能力決定著材料的使用壽命。疲勞（fatigue）是指材料在長(zhǎng)時(shí)間周期性應(yīng)力（或應(yīng)變）作用下發(fā)生塑性形變、軟化乃至損壞、斷裂的現(xiàn)象。磨損（frictionwear）是指材料在相互接觸的摩擦運(yùn)動(dòng)中，表層發(fā)熱、黏附、損傷、發(fā)生宏觀材料剝落的現(xiàn)象。從材料學(xué)角度看，疲勞和磨損是材料在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下，內(nèi)部或表面產(chǎn)生力化學(xué)反應(yīng)，引發(fā)產(chǎn)生微細(xì)損傷，造成分子鏈斷裂、交聯(lián)、結(jié)晶粒子微細(xì)化等，形成微細(xì)裂紋，而后裂紋再逐漸擴(kuò)展生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致宏觀破壞的過(guò)程。疲勞和磨損過(guò)程均伴隨顯著的熱效應(yīng)。疲勞和磨損的機(jī)理十分復(fù)雜，需要時(shí)請(qǐng)閱讀有關(guān)專(zhuān)著。當(dāng)前19頁(yè)，總共43頁(yè)。2．2關(guān)于斷裂過(guò)程的討論2．2．1材料的脆性斷裂和韌性屈服圖7-13拉伸試樣內(nèi)斜截面上的應(yīng)力分布設(shè)試樣橫截面積為A0，作用于其上的拉力為F，可以求得在試樣內(nèi)部任一斜截面上的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力:

當(dāng)前20頁(yè)，總共43頁(yè)。在不同角度的斜截面上，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力值不同。由公式得知，在斜角θ=0o的截面上（橫截面），法向應(yīng)力的值最大；在θ=45o的截面上，切向應(yīng)力值最大。

圖7-14法向應(yīng)力與切向應(yīng)力隨斜截面的變化討論當(dāng)前21頁(yè)，總共43頁(yè)。本質(zhì)上，法向應(yīng)力與材料的抗拉伸能力有關(guān)，而抗拉伸能力極限值主要取決于分子主鏈的強(qiáng)度（鍵能）。因此材料在作用下發(fā)生破壞時(shí)，往往伴隨主鏈的斷裂。切向應(yīng)力與材料的抗剪切能力相關(guān)，極限值主要取決于分子間內(nèi)聚力。材料在作用下發(fā)生屈服時(shí)，往往發(fā)生分子鏈的相對(duì)滑移（圖7-15）。圖7-15垂直應(yīng)力下的分子鏈斷裂（a）和剪切應(yīng)力下的分子鏈滑移（b）

在外力場(chǎng)作用下，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布與應(yīng)力變化十分復(fù)雜，斷裂和屈服都有可能發(fā)生，處于相互競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。討論當(dāng)前22頁(yè)，總共43頁(yè)。圖6-26薄板中橢圓型孔洞的應(yīng)力集中效應(yīng)示意圖設(shè)二維無(wú)限大薄板上有一個(gè)橢圓形孔洞（a，ρ

），薄板在橢圓短軸方向受到一拉伸應(yīng)力，則在孔洞長(zhǎng)軸的尖端區(qū)將因應(yīng)力集中效應(yīng)而承受高達(dá)幾倍乃至幾十倍的巨大應(yīng)力（與平行）。

稱(chēng)應(yīng)力集中系數(shù)。

經(jīng)驗(yàn)證明對(duì)多數(shù)材料而言，其臨界抗拉伸強(qiáng)度（理論內(nèi)聚強(qiáng)度）約為楊氏模量E的1/15，因此一個(gè)存在裂紋缺陷的材料的最高預(yù)期強(qiáng)度為：2．2．2裂紋的應(yīng)力集中效應(yīng)當(dāng)前23頁(yè)，總共43頁(yè)。斷裂過(guò)程

微裂紋引發(fā)（成核）

裂紋擴(kuò)展成裂縫裂縫生長(zhǎng)引起斷裂從分子水平看，出現(xiàn)裂紋必然產(chǎn)生新表面，產(chǎn)生的原因有二：一是拉力造成主價(jià)鍵破壞，使分子鏈斷裂；二是剪切造成次價(jià)鍵破壞，分子鏈發(fā)生相對(duì)滑移。

1，某分子鏈處于高應(yīng)力狀態(tài)；2，鏈斷裂，形成鏈端自由基；3，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)；5，多次重復(fù)，形成一個(gè)亞微觀裂紋○—鏈端自由基；╳—主鏈自由基；●—穩(wěn)定的端基

圖7-16Zhurkov力化學(xué)反應(yīng)模型2．2．3斷裂的分子理論當(dāng)前24頁(yè)，總共43頁(yè)。2．3．1理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度對(duì)碳鏈聚合物，已知C－C鍵能約為350kJ·mol-1，相當(dāng)于每鍵的鍵能為5~6x10－19J。這些能量可近似看作為克服成鍵的原子引力，將兩個(gè)C原子分離到鍵長(zhǎng)的距離所做的功。C－C鍵長(zhǎng)，由此算出一個(gè)共價(jià)鍵力為（7-9）由X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)材料的晶胞參數(shù)，可求得大分子鏈橫截面積。如求得聚乙烯分子鏈橫截面為

，由此得到高分子材料的理論強(qiáng)度為：

理論強(qiáng)度是人們從化學(xué)結(jié)構(gòu)可能期望的材料極限強(qiáng)度，由于高分子材料的破壞是由化學(xué)鍵斷裂引起的，因此可從拉斷化學(xué)鍵所需作的功計(jì)算其理論強(qiáng)度。實(shí)際上高分子材料的強(qiáng)度比理論強(qiáng)度小得多，僅為幾個(gè)到幾十個(gè)MPa。2．3高分子材料的強(qiáng)度

當(dāng)前25頁(yè)，總共43頁(yè)。1）分子量的影響分子量是對(duì)高分子材料力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈性、韌性）起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。低分子有機(jī)化合物一般沒(méi)有力學(xué)強(qiáng)度，高分子材料要獲得強(qiáng)度，必須具有一定聚合度，使分子間作用力足夠大才行。圖6-29PS、HDPE和LDPE的拉伸強(qiáng)度與分子量的關(guān)系超過(guò)最低聚合度后，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，致使分子間次價(jià)鍵作用的總和超過(guò)了主鏈化學(xué)鍵能時(shí)，材料強(qiáng)度將主要取決于化學(xué)鍵能的大小，這時(shí)強(qiáng)度不再依賴(lài)分子量而變化。另外，分子量分布對(duì)材料強(qiáng)度的影響不大。2．3．2影響斷裂強(qiáng)度的因素

當(dāng)前26頁(yè)，總共43頁(yè)。2）分子鏈結(jié)構(gòu)的影響

從主鏈結(jié)構(gòu)看，含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度和模量要高于脂肪族主鏈材料。

芳香尼龍

尼龍

-6從分子間相互作用看，極性聚合物及容易產(chǎn)生分子間或分子內(nèi)氫鍵的聚合物，力學(xué)強(qiáng)度較高。

分子量相當(dāng)時(shí)，支化聚合物力學(xué)強(qiáng)度比線(xiàn)形聚合物低。聚氯乙烯：40～50MPa聚乙烯：15～30MPa如支化的LDPE的拉伸強(qiáng)度低于線(xiàn)形的HDPE當(dāng)前27頁(yè)，總共43頁(yè)。3）結(jié)晶及取向的影響

表7-2

聚乙烯的斷裂性能與結(jié)晶度的關(guān)系結(jié)晶度

/％65758595斷裂強(qiáng)度

/14.4182540斷裂伸長(zhǎng)率

/％50030010020一般影響規(guī)律是：

1、隨著結(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。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(qiáng)所致。

2、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)材料強(qiáng)度的影響更大。均勻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。3、晶體形態(tài)對(duì)聚合物拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律是，同一聚合物，伸直鏈晶體的拉伸強(qiáng)度最大，串晶次之，球晶最小。當(dāng)前28頁(yè)，總共43頁(yè)。4）交聯(lián)的影響

隨交聯(lián)程度提高，橡膠材料的拉伸模量和強(qiáng)度都大大提高，達(dá)到極值強(qiáng)度后，又趨于下降；斷裂伸長(zhǎng)率則連續(xù)下降。熱固性樹(shù)脂，由于分子量很低，如果不進(jìn)行交聯(lián)，幾乎沒(méi)有強(qiáng)度（液態(tài)）。固化以后，分子間形成密集的化學(xué)交聯(lián)，使斷裂強(qiáng)度大幅度提高。

圖6-20

橡膠的拉伸強(qiáng)度與交聯(lián)劑用量的關(guān)系適度交聯(lián)對(duì)于彈性體及熱固性樹(shù)脂力學(xué)性能的提高至關(guān)重要。對(duì)于大多數(shù)彈性體而言，交聯(lián)是加工成型工藝中的關(guān)鍵步驟。通過(guò)交聯(lián)使分子鏈聯(lián)結(jié)成網(wǎng)，既增大分子量，又增強(qiáng)分子鏈間相互作用，使材料拉伸性能、彈性、抗蠕變能力大大提高。

當(dāng)前29頁(yè)，總共43頁(yè)。5）溫度與形變速率的影響圖7-5斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)虛線(xiàn)——高拉伸速率實(shí)線(xiàn)——低拉伸速率

圖7-6斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢(shì)實(shí)線(xiàn)——低環(huán)境溫度虛線(xiàn)——高環(huán)境溫度對(duì)屈服強(qiáng)度的影響更大一些。當(dāng)前30頁(yè)，總共43頁(yè)。2．4．1粉料填充增強(qiáng)

粉狀填料的增強(qiáng)效果主要取決于填料的種類(lèi)、尺寸、用量、表面性質(zhì)以及填料在高分子基材中的分散狀況。按性能分粉狀填料可分為活性填料和惰性填料兩類(lèi)；按尺寸分有微米級(jí)填料、納米級(jí)填料等。

炭黑增強(qiáng)橡膠是最突出的粉狀填料增強(qiáng)聚合物材料的例子。炭黑是典型活性填料，尺寸在亞微米級(jí)，增強(qiáng)效果十分顯著。橡膠拉伸強(qiáng)度

/MPa增強(qiáng)倍數(shù)純膠含炭黑橡膠非結(jié)晶型硅橡膠①0.3413.740丁苯橡膠1.9619.010丁腈橡膠1.9619.610結(jié)晶型天然橡膠19.031.41.6氯丁橡膠14.725.01.7丁基橡膠17.618.61.1炭黑表7-4

幾種橡膠采用炭黑增強(qiáng)的效果對(duì)比①

白炭黑補(bǔ)強(qiáng)2．4高分子材料的增強(qiáng)改性

當(dāng)前31頁(yè)，總共43頁(yè)。碳酸鈣、滑石粉、陶土以及各種金屬或金屬氧化物粉末屬于惰性填料。對(duì)于惰性填料，需要經(jīng)過(guò)化學(xué)改性賦予粒子表面一定的活性，才具有增強(qiáng)作用。例如用表面活性物質(zhì)如脂肪酸、樹(shù)脂酸處理，或用鈦酸酯、硅烷等偶聯(lián)劑處理，或在填料粒子表面化學(xué)接枝大分子等都有很好的效果。

圖7-22

粉狀填料經(jīng)硬脂酸處理填充HDPE的SEM圖上圖：硬脂酸用量0.9%下圖：1.5%惰性填料當(dāng)前32頁(yè)，總共43頁(yè)。纖維增強(qiáng)塑料是利用纖維的高強(qiáng)度、高模量、尺寸穩(wěn)定性和樹(shù)脂的低密度、強(qiáng)韌性設(shè)計(jì)制備的一種復(fù)合材料。兩者取長(zhǎng)補(bǔ)短，復(fù)合的同時(shí)既克服了纖維的脆性，也提高了樹(shù)脂基體的強(qiáng)度、剛性、耐蠕變和耐熱性。常用的纖維材料玻璃纖維碳纖維硼纖維天然纖維基體材料熱固性樹(shù)脂熱塑性樹(shù)脂橡膠類(lèi)材料2．4．2纖維復(fù)合增強(qiáng)

當(dāng)前33頁(yè)，總共43頁(yè)?；谏鲜鰴C(jī)理也可得知，在基體中，即使纖維都已斷裂，或者直接在基體中加入經(jīng)過(guò)表面處理的短纖維，只要纖維具有一定的長(zhǎng)徑比，使復(fù)合作用有效，仍可以達(dá)到增強(qiáng)效果。實(shí)際上短纖維增強(qiáng)塑料、橡膠的技術(shù)都有很好的發(fā)展，部分已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

按復(fù)合作用原理，短纖維的臨界長(zhǎng)度Lc可按下式計(jì)算：

式中為纖維的拉伸屈服應(yīng)力，為基體的剪切屈服應(yīng)力，d為纖維直徑。

2．4．3納米復(fù)合材料和分子復(fù)合材料

略短纖維增強(qiáng)當(dāng)前34頁(yè)，總共43頁(yè)。第4節(jié)高分子材料的抗沖擊性能和增韌改性

4．1抗沖擊強(qiáng)度

抗沖擊強(qiáng)度的測(cè)定方法高速拉伸試驗(yàn)落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)懸臂梁式（Izod）簡(jiǎn)支梁式（Charpy）4．1．1抗沖擊強(qiáng)度定義及物理意義

抗沖擊強(qiáng)度（impactstrength）定義為標(biāo)準(zhǔn)試樣在高速?zèng)_擊作用下發(fā)生斷裂時(shí)，單位斷面面積（或單位缺口長(zhǎng)度）所消耗的能量。

當(dāng)前35頁(yè)，總共43頁(yè)。沖擊破壞過(guò)程雖然很快，但根據(jù)破壞原理也可分為三個(gè)階段：一是裂紋引發(fā)階段，二是裂紋擴(kuò)展階段，三是斷裂階段。圖7-30沖擊實(shí)驗(yàn)中材料受力及屈撓關(guān)系曲線(xiàn)曲線(xiàn)下面積：白亮區(qū)域——裂紋引發(fā)能陰影區(qū)域——裂紋擴(kuò)展能4．1．2沖擊破壞過(guò)程分析

從微觀來(lái)看，裂紋引發(fā)時(shí)一定有主鏈發(fā)生斷裂，因此主鏈化學(xué)鍵鍵能的大小決定著裂紋引發(fā)能的大小。裂紋擴(kuò)展能的大小則與裂紋尖端區(qū)的形變性質(zhì)有關(guān)。

當(dāng)前36頁(yè)，總共43頁(yè)。4．2影響抗沖擊性能的因素4．2．1分子鏈結(jié)構(gòu)的影響

除分子鏈化學(xué)鍵強(qiáng)度外，分子鏈柔順性對(duì)抗沖擊性能也有較大影響。

一般來(lái)說(shuō)分子鏈柔性大的材料抗沖擊性能較好，而剛性鏈聚合物較差。

在特定場(chǎng)合，尺寸小于鏈段的次級(jí)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化也對(duì)抗沖擊韌性有影響。

次級(jí)轉(zhuǎn)變和低溫抗沖性分子量的影響。

分子量小時(shí)，隨分子量增大，抗沖擊強(qiáng)度提高；分子量足夠高時(shí)，抗沖擊強(qiáng)度基本與分子量無(wú)關(guān)。

當(dāng)前37頁(yè)，總共43頁(yè)。4．2．2結(jié)晶、取向的影響

對(duì)聚乙烯、聚丙烯等高結(jié)晶度材料，當(dāng)結(jié)晶度為40-60%時(shí)，由于材料拉伸時(shí)有屈服發(fā)生且斷裂伸長(zhǎng)率高，韌性很好。結(jié)晶度再增高，材料變硬變脆，抗沖擊韌性反而下降。這是由于結(jié)晶使分子間相互作用增強(qiáng)，鏈段運(yùn)動(dòng)能力減弱，受到外來(lái)沖擊時(shí)，材料形變能力減少，因而抗沖擊韌性變差。從結(jié)晶形態(tài)看，具有均勻小球晶的材料抗沖擊韌性好，而大球晶韌性差。球晶尺寸大，球晶內(nèi)部以及球晶之間的缺陷增多，材料受沖擊力時(shí)易在薄弱環(huán)節(jié)破裂。

對(duì)取向材料，當(dāng)沖擊力與取向方向平行，沖擊強(qiáng)度因取向而提高，若沖擊力與取向方向垂直，沖擊強(qiáng)度下降。由于實(shí)際材料總是在最薄弱處首先破壞，因此取向?qū)Σ牧系目箾_擊性能一般是不利的

結(jié)晶度晶體形態(tài)取向當(dāng)前38頁(yè)，總共43頁(yè)。溫度升高，材料抗沖擊強(qiáng)度隨之增大。對(duì)無(wú)定形聚合物，當(dāng)溫度升高到玻璃化溫度附近或更高時(shí)，抗沖擊強(qiáng)度急劇增大。

對(duì)結(jié)晶性聚合物，其玻璃化溫度以上的抗沖擊強(qiáng)度也比玻璃化溫度以下的高，這是因?yàn)樵诓ＡЩ瘻囟雀浇鼤r(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)釋放，分子運(yùn)動(dòng)加劇，使應(yīng)力集中效應(yīng)減緩，部分能量會(huì)由于材料的力學(xué)損耗作用以熱的形式逸散。圖7-33

幾種聚丙烯試樣抗沖強(qiáng)度隨溫度的變化4．2．3溫度的影響

當(dāng)前39頁(yè)，總共43頁(yè)。采用丁二烯與苯乙烯共聚得到高抗沖聚苯乙烯；采用氯化聚乙烯與聚氯乙烯共混得到硬聚氯乙烯韌性體，都將使基體的抗