高聚物的力學(xué)強(qiáng)詳解演示文稿

高聚物的力學(xué)強(qiáng)度詳解演示文稿目前一頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)優(yōu)選高聚物的力學(xué)強(qiáng)度目前二頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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)問題何在。目前三頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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)變曲線及其類型

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)力稱為工程應(yīng)力或標(biāo)稱應(yīng)力（nominalstress）；相應(yīng)地，ε

稱為工程應(yīng)變或標(biāo)稱應(yīng)變（nominalstrain）

目前四頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)圖7-2典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

典型高分子材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線目前五頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)（2）極大值Y點(diǎn)稱材料的屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(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，稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個(gè)物理量。

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

目前六頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)由于高分子材料種類繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有多種形狀。歸納起來，可分為五類。圖7-3高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型（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

曲線的類型目前七頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)（a）（b）虛線為工程應(yīng)力曲線；實(shí)線為真應(yīng)力曲線圖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)力曲線比真應(yīng)力曲線低；對(duì)壓縮實(shí)驗(yàn)，工程應(yīng)力曲線比真應(yīng)力曲線高。

1．1．2單軸壓縮實(shí)驗(yàn)

目前八頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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

目前九頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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——高拉伸速率實(shí)線——低拉伸速率

在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱脆-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)變目前十頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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——低環(huán)境溫度虛線——高環(huán)境溫度與脆-韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線交點(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

。目前十一頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)1．2．3環(huán)境壓力的影響

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

右圖可見，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)變的差別目前十二頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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

目前十三頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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。

目前十四頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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，這種變形稱強(qiáng)迫高彈形變。

討論1．4強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸”

目前十五頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)圖7-8結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形，這種形變稱“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，見圖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。見圖中曲線3、4、5。這種現(xiàn)象稱“冷拉伸”。

討論

1．4．2晶態(tài)高分子材料的“冷拉伸”

目前十六頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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)度目前十七頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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沖擊斷裂目前十八頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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)致宏觀破壞的過程。疲勞和磨損過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)專著。目前十九頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)2．2關(guān)于斷裂過程的討論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:

目前二十頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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目前二十一頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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)。討論目前二十二頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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)目前二十三頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)斷裂過程

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斷裂的分子理論目前二十四頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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

目前二十五頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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

目前二十六頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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)度低于線形的HDPE目前二十七頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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。目前二十八頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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。熱固性樹脂，由于分子量很低，如果不進(jìn)行交聯(lián)，幾乎沒有強(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。

目前二十九頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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——高拉伸速率實(shí)線——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——低環(huán)境溫度虛線——高環(huán)境溫度對(duì)屈服強(qiáng)度的影響更大一些。目前三十頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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、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；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

目前三十一頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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%惰性填料目前三十二頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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脂熱塑性樹脂橡膠類材料2．4．2纖維復(fù)合增強(qiáng)

目前三十三頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)基于上述機(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)目前三十四頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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。

目前三十五頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)沖擊破壞過程雖然很快，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)系曲線曲線下面積：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沖擊破壞過程分析

從微觀來看，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)。

目前三十六頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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。

一般來說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)度基本與分子量無關(guān)。

目前三十七頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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)取向目前三十八頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)溫度升高，材料抗沖擊強(qiáng)度隨之增大。對(duì)無定形聚合物，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

目前三十九頁\總數(shù)四十三頁\編于二十點(diǎn)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