高分子材料的結(jié)構(gòu)特點和力學性能

關(guān)于高分子材料的結(jié)構(gòu)特點和力學性能第1頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料

---古老而年輕的材料古老---遠古時期開始，人類已經(jīng)學會使用天然高分子材料，如自然界的樹脂、皮毛、蠶絲、棉花、纖維素、木材等；年輕---從科學和工程意義上研究高分子材料，在合成高分子材料出現(xiàn)之后，不過半個世紀。第2頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料工業(yè)的初創(chuàng)時期1826年，發(fā)現(xiàn)天然橡膠的組成C5H8;1839年，實現(xiàn)了苯乙烯的聚合；1907年，合成了第一個高分子材料—酚醛樹脂。1920年，Staudinger提出了高分子的概念，并于1953年獲得諾貝爾獎。第3頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料工業(yè)的發(fā)展期20世紀30年代到70年代對聚合理論、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系進行了大量的研究；發(fā)現(xiàn)了催化劑并在烯烴聚合中的應(yīng)用；通用塑料及工程塑料相繼問世；K.ziegler1963獲得諾貝爾獎；P.J.Flory1974年獲得諾貝爾獎。第4頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料全面發(fā)展時期20世紀70年代至今：塑料產(chǎn)量達1億噸；研究可設(shè)計性能的聚合物；高分子合金化及其技術(shù)；高分子化合物與無機物復(fù)合技術(shù)；環(huán)境友好型高分子材料的研制。第5頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月中國高分子材料工業(yè)起步晚----1958年建成了年產(chǎn)3000噸聚氯乙烯樹脂工廠。發(fā)展快----目前塑料產(chǎn)量位居世界第二，僅次于美國。差距大----人均塑料不到20公斤，發(fā)達國家60—120公斤。品種、加工技術(shù)、模具等方面有很大差距。第6頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料的分類---按來源分天然高分子材料天然高分子衍生物合成高分子材料第7頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月按用途分類結(jié)構(gòu)高分子材料功能高分子材料按工業(yè)生產(chǎn)分類通用高分子材料特種高分子材料第8頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子化合物(高聚物)的特征高分子化合物的分子量都在幾千以上,有的高達數(shù)萬、數(shù)十萬或更大；高分子是由許多結(jié)構(gòu)相同的小單元（鏈接）重復(fù)組成的長鏈化合物。如乙烯（H2C=CH2）的分子量為28，由乙烯單體聚合而成的高分子化合物聚乙烯（-H2C=CH2-）n分子量則在1000-35000之間或更大，n稱為聚合度，表示一個高分子中的鏈接數(shù)目。數(shù)均分子量，重均分子量第12頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子化合物(高聚物)的特征一種高分子化合物是許多結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相類似而聚合度不完全相等的高分子的混合物-同系聚合物。高分子化合物是不同分子量的同系聚合物。高分子化合物的分子量只能用平均分子量來表示。具有長鏈。根據(jù)分子鏈的形狀不同，高分子化合物又分為線型的、支鏈型的和體型的等幾種結(jié)構(gòu)第13頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子化合物(高聚物)的特征線型高分子化合物的主鏈原子常排列成長鏈狀、如聚乙烯、聚氯乙烯等屬于這種結(jié)構(gòu)。支鏈高分子化合物的主鏈也是長鏈形狀，但帶有大量的支鏈。其結(jié)晶化傾向降低，形成無定型的聚合物。----低溫時呈脆性，加溫時，漸漸軟化進入粘流態(tài)。第14頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子化合物(高聚物)的特征排列規(guī)則的線型高分子會產(chǎn)生結(jié)晶化。體型高分子化合物的長鏈被許多橫跨鏈交聯(lián)成網(wǎng)狀，或在單體聚合過程中在二維或三維空間交聯(lián)形成空間網(wǎng)絡(luò)，分子彼此固定。----熱穩(wěn)定性高。酚醛、環(huán)氧、聚脂等樹脂的最終產(chǎn)物屬此結(jié)構(gòu)。第15頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子化合物基本性能（一）質(zhì)輕密度一般在0.9-2.2g/cm3之間，平均約為鋁的1/2，鋼的1/5，混凝土的1/3，與木材相近。比強度高其強度與表觀密度之比接近甚至超過鋼材。---長鏈型的高分子化合物分子與分子之間的接觸點很多，相互之間的作用力很大；同時，分子鏈是蜷曲的，互相糾纏在一起。第16頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子化合物基本性能（二）彈性好

受力時，蜷曲的分子可以被拉直而伸長，當外力除去后，又能恢復(fù)到原來蜷曲的狀態(tài)。導熱性低約為金屬的1/500—1/600。如泡沫塑料可用于保溫材料。耐磨性好如尼龍、聚四氟乙烯（塑料）等高分子化合物不僅耐磨，還具有優(yōu)良的自潤滑性，比金屬和天然材料強。第17頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子化合物基本性能（三）絕緣性好

分子中的化合鍵是共價鍵，不能電離，不能傳遞電子；同時，由于分子細長而蜷曲，在受熱或受聲波作用時，分子不容易振動。-----對電、聲、熱的絕緣性能佳。耐腐蝕性能佳分子鏈上的基團包在里面，不易被腐蝕。如聚四氟乙烯（塑料），比黃金更耐酸、堿和強氧化劑。第18頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子化合物的主要缺點耐熱性低、耐火性差、易老化、價格高。第19頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料的力學性能特點力學性能的數(shù)值范圍寬，如橡膠的彈性模量從106---109N/M2。強度低、彈性模量低。但比強度高。力學性能與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。粘彈性。----蠕變現(xiàn)象，應(yīng)力松弛現(xiàn)象。力學性能與溫度有關(guān)。應(yīng)用應(yīng)力、應(yīng)變、時間、溫度來描述高分子材料的力學性能。第20頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月常用高分子材料及代號酚醛樹脂PF，聚乙烯PE，環(huán)氧樹脂EP，聚丙烯PP，聚氯乙烯PVC，聚丙烯腈PAN，聚乙烯醇PVA，聚胺脂PU，聚苯乙烯類聚合物（PS、ABS、AS、HIPS）第21頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料的變形剪切變形

θFF第22頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料的變形剪切應(yīng)變特點：物體形狀發(fā)生變化，體積保持不變。第23頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月均勻壓縮材料受到圍壓力P的作用，形狀不變，體積發(fā)生改變。P第24頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月拉伸變形

FF張應(yīng)變：拉伸應(yīng)力：第25頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月泊松比的定義材料在伸長或壓縮時，伴有橫向收縮或膨脹。橫向變形與軸向變形之比定義為泊松比。第26頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月形變性能分類（液體---固體）形變性能彈性粘性粘彈性線性彈性非線性彈性線性粘彈性非線性粘彈性靜態(tài)動態(tài)應(yīng)力松弛滯后力學損耗線性粘性非線性粘性蠕變第27頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月線性彈性-模量對拉伸中，各向同性壓縮中，剪切中，第28頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月各向同性理想彈性材料有如下關(guān)系第29頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月各向同性理想彈性材料有如下關(guān)系E，G，K，中只有兩個是獨立的，因此，只需用二個參數(shù)描述其力學行為。高分子材料大多數(shù)情況下是各向異性的，如纖維增強材料、薄膜材料。對各向異性材料，需要21個參數(shù)來描述其力學性能，單對稱材料需要12個參數(shù)，正交各向異性材料需要9個參數(shù)。第30頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月表1-1一些高聚物的彈性模量和泊松比的值高聚物E(×10-9/Pa）

G(×10-9/Pa)

K(×10-9/Pa)聚乙烯（高結(jié)晶）聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯尼龍661.03.24.151.00.351.21.550.8553.33.04.13.30.450.330.330.33第31頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月線性彈性的特點變形小，可逆變形，變形瞬間發(fā)生，與時間無關(guān)。變形時內(nèi)能增加，恢復(fù)時放出能量，在整個變形和回復(fù)過程中無能量損失。玻璃態(tài)材料低于玻璃化溫度時，小變形時符合線彈性。交聯(lián)聚合物高于玻璃化溫度時仍符合線彈性。第32頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃化溫度Tg無定型聚合物在低溫時是脆性的（稱玻璃態(tài)），當加熱到一特定溫度，稱為玻璃化溫度時，由于分子鏈產(chǎn)生了流動而變得柔順，一旦溫度高于Tg，分子開始在鏈軸上自由轉(zhuǎn)動，會出現(xiàn)體積和密度的突然改變，性能變得富有彈性。第33頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性彈性的特點形變量大；變形完全能恢復(fù)，但不是瞬間恢復(fù)，需要一定時間；時間依賴性；應(yīng)變隨時間而增長，并達到一個平衡值；在非線性模式中討論的是平衡時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，已無時間依賴性。第34頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性彈性的特點小應(yīng)變時符合線性彈性,但彈性模量很低,約為0.1-1MPa。比玻璃態(tài)聚合物的彈性模量低3-4個數(shù)量級。變形時有熱效應(yīng)。如把橡膠試件快速拉伸時，試件溫度升高。彈性模量隨溫度上升而增大，與鋼材相反。溫度升高，分子鏈的熱運動加強，回縮力逐漸變大，彈性變形的能力變小。第35頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月天然橡膠在不同拉伸比下的拉力與溫度的關(guān)系

第36頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料的粘性線性粘性液體----適用于高分子溶液。特點：1、時間依賴性，變形隨時間不斷發(fā)展。2、流體變形的不可回復(fù)性---永久變形。---分子鏈之間產(chǎn)生滑移。3、能量散失。---外力所做的功在流動中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊?、應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比，與粘度無關(guān)。第37頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性粘性流動流動特性與聚合物分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。存在兩種現(xiàn)象。1、粘度隨應(yīng)變速率增大而下降-----假塑性----可逆性。適用于大多數(shù)聚合物溶液。2、粘度隨剪切速率的增大而上升。這種性質(zhì)稱為膨脹性，也稱為剪切稠化。第38頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月粘彈性高聚物的粘彈性是指高聚物材料不僅具有彈性材料的一般特性，同時還具有粘性流體的一些特性。高聚物的粘彈性是聚合物分子間的內(nèi)摩擦作用使彈性形變的發(fā)展和恢復(fù)近程受阻而推遲表現(xiàn)的結(jié)果。第40頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-8不同材料在恒應(yīng)力下形變和時間的關(guān)系第41頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月線性粘彈性是由服從虎克定律的理想固體的彈性與服從牛頓定律的液體粘性組合而成的。聚合物的線性粘彈性現(xiàn)象視應(yīng)力或應(yīng)變是否為時間的函數(shù)可分為靜態(tài)粘彈性現(xiàn)象和動態(tài)粘彈性現(xiàn)象第42頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)粘彈性現(xiàn)象

靜態(tài)粘彈性現(xiàn)象是指應(yīng)力或應(yīng)變完全恒定，不是時間的函數(shù)時,聚合物材料的粘彈性的表現(xiàn)。在恒定應(yīng)力作用下,試樣應(yīng)變隨時間的變化的現(xiàn)象叫蠕變。在恒定溫度和形變作用下，高聚物內(nèi)部的應(yīng)力隨時間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。第43頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1－9粘彈材料蠕變曲線第44頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月蠕變及其回復(fù)第45頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月蠕變過程包括三種形變普彈形變—可逆

高彈形變---可逆粘性流動---不可逆第46頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1－10普彈形變與回復(fù)第47頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1－11高彈形變與回復(fù)第48頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1－12粘性流動第49頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高聚物受到外力作用的總形變第50頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月三種形變的相對比例在玻璃化溫度以下，主要是1在玻璃化溫度以上，主要是1和2溫度再升到粘流溫度以上，主要是1，1和

3、

第51頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛是將一應(yīng)力作用于試樣上，使試樣瞬時產(chǎn)生一應(yīng)變，然后維持這應(yīng)變不變，即維持應(yīng)力為一階梯函數(shù)。第52頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月橡膠在張力作用下的應(yīng)力松弛曲線第53頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月有機玻璃在玻璃化溫度附近的模量－時間關(guān)系第54頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)粘彈現(xiàn)象

動態(tài)粘彈現(xiàn)象是指在交變應(yīng)力或交變應(yīng)變作用下，高聚物材料的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系就會呈現(xiàn)出滯后現(xiàn)象。所謂滯后現(xiàn)象，是指應(yīng)變隨時間的變化一直跟不上應(yīng)力隨時間的變化。第55頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1－13滯后圈第56頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月粘彈性的力學模型

第57頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1－14Maxwell模型第58頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月Maxwell模型的運動方程

第59頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-15Kelvin模型第60頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月Kelvin模型的運動方程

第61頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料的斷裂模式高聚物材料的品種繁多，它們的應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出復(fù)雜情況。按在拉伸過程中屈服點的表現(xiàn)及伸長率大小，大致可以分為五種情況，（1）硬而脆----苯乙烯，有機玻璃和酚醛樹脂。它們模量高，抗拉強度相當大，沒有屈服點，斷裂伸長一般低于2％。第62頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料的斷裂模式（2）硬而韌----尼龍，聚碳酸脂等。它們模量高，屈服強度和抗拉強度都高，斷裂伸長率也較大。這類高聚物在拉伸過程中會產(chǎn)生細頸。（3）硬而強---硬聚氯乙稀,具有高的楊氏模量，高的抗拉強度，斷裂伸長率較小，韌性小。第63頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子材料的斷裂模式（4）軟而韌---橡膠和增塑聚氯乙稀,模量低，屈服點低或者沒有明顯的屈服點，只看到曲線上有較大的彎曲部分，斷裂延伸率較大，斷裂應(yīng)力較低。（5）軟而弱---只有一些柔軟的凝膠，很少用作材料來使用。第64頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月

五種類型的斷裂方式1.硬而脆；2.硬而韌；3.硬而強；4軟而韌；5.軟而弱第65頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高聚物的理論強度按模型計算的理論強度與實際強度之間的存在巨大差距。正常斷裂時，首先將發(fā)生在未取向部分的氫健或范德華力的破壞，隨后應(yīng)力集中到取向的主鏈上，盡管共價鍵的強度比分子間作用力大l0-20倍，但是由于直接承受外力的取向主鏈數(shù)目少，結(jié)果被拉斷。第66頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月高聚物斷裂微觀過程的

三種模型示意圖a一化學鍵被破壞；b一分子間滑脫；c一范德華力或氫鍵破壞第67頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月影響高聚物強度的因素高分子本身結(jié)構(gòu)的影響

增加高分子的極性或產(chǎn)生氫鍵可使強度提高。主鏈含有芳雜環(huán)的高聚物，其強度和模量都比脂肪族主鏈的高，因此新型的工程塑料大都是主鏈含芳雜環(huán)。第68頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月影響高聚物強度的因素適度的交聯(lián)對提高強度有利隨著交聯(lián)度的增加，往往不易發(fā)生大的形變，強度增高。例如聚乙烯交聯(lián)后，拉伸強度可以提高一倍，沖擊強度可以提高3-4倍。但是交聯(lián)過程中往往會使高聚物結(jié)晶度下降，取向困難，因而過分的交聯(lián)并不總是有利的。第69頁，課件共77頁，創(chuàng)作于2023年2月影響高聚物強度的因素分子量低時，拉伸強度和沖擊強度都低，隨著分子量的增大，拉伸和沖擊強度都會提高。當分子量超過一定的數(shù)值以后，拉仲強度的變化不大，而沖擊強度則繼續(xù)增大。超高分子量聚乙烯(M＝5×105～4×106)的沖擊強度比普通低壓聚乙烯提高三倍多，在