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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,第十章,聚合物材料的力學(xué)性能,10.1,聚合物材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn),10.2,線型非晶態(tài)聚合物的變形,10.3,結(jié)晶聚合物的變形,10.4,聚合物的粘彈性,10.5,聚合物的力學(xué)性能,1,10.1,聚合物材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn),分子質(zhì)量大于,1,萬以上的有機(jī)化合物稱為高分子材料。它是由許多小分子聚合而成，故又稱為聚合物或高聚物。 原子之間由共價(jià)鍵結(jié)合，稱為主價(jià)鍵； 分子之間由范德瓦爾鍵連接，稱為次價(jià)鍵。 分子間次價(jià)鍵力之和遠(yuǎn)超過分子中原子間主價(jià)鍵的結(jié)合,力。拉伸時(shí)常常先發(fā)生原子鍵的斷裂。而不是分子鏈之間的滑脫
2、。 聚合物的小分子化合物稱為單體，組成聚合物長(zhǎng)鏈的基,本結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)t稱為鏈節(jié)。 聚合物長(zhǎng)鏈的重復(fù)鏈節(jié)數(shù)目，稱為聚合度。 天然的聚合物有 木材、橡膠、棉花、絲、毛發(fā)和角等。 人工合成聚合物有 工程塑料、合成纖維、合成橡膠等。,2,一、聚合物的基本結(jié)構(gòu),1,、高分子鏈的構(gòu)型,（近程結(jié)構(gòu)）,由化學(xué)鍵所固定的幾何形狀,指,高分子鏈的化學(xué)組成、鍵接方式和立,體構(gòu)型等。 長(zhǎng)支鏈、短支鏈；線型交聯(lián)分子,鏈、三維交聯(lián)分子鏈。,3,由兩種以上結(jié)構(gòu)單體聚合而成的聚合物稱為共聚物。,聚合物的結(jié)晶很難完全。 （共聚物的幾種形式如圖,9-3,。）,a,）無規(guī)共聚，,b,）交替共聚，,c,）鑲段共聚，,d,）接枝共聚,4,
3、2,、高分子鏈的構(gòu)象,（遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)）,一根巨分子長(zhǎng)鏈在空間的排布形象，稱,為巨分子鏈的構(gòu)象。 如無規(guī)則線團(tuán)鏈、伸,展鏈、折疊鏈、螺旋,鏈等構(gòu)象,(,圖,9-5),。,由于存在,分子主鏈單,鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn),，使得巨分子,鏈的構(gòu)象在不斷變化中，,故通常聚合物具有極好的,彈性。,5,3,、聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu),聚集態(tài)結(jié)構(gòu)包括 晶態(tài)結(jié),構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)及取向。 晶區(qū)與非晶區(qū)共存。結(jié),晶度,98,，微晶尺寸在,100A,左右。 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的高分子鏈,多呈無規(guī)則線團(tuán)形態(tài)。在外力作用下，聚合物,的長(zhǎng)鏈沿外力方向排列的形,態(tài)稱為聚合物的取向。,6,4,、高分子材料結(jié)構(gòu)特征歸納： 聚合物為復(fù)合物（各個(gè)巨分子的分子量不一定相
4、同）； 聚合物有構(gòu)型、構(gòu)象的變化； 分子之間可以有各種相互排列。,7,二、聚合物的主要物理、力學(xué)性能特點(diǎn),(1),密度小,1.0,2.0g/cm2,是鋼的,1/4,、陶瓷的,1/2,。,(2),高彈性 彈變,100,1000,，金屬只有,0.1,1.0,。,(3),彈性模量小,E=0.4,4.0GPa,，而金屬則為,30,300GPa,。（剛度差）,(4),粘彈性明顯 高彈性對(duì)時(shí)間有強(qiáng)烈依賴性。應(yīng)變落后于應(yīng)力：室溫下可能產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松弛。,返回,8,10.2,線型非晶態(tài)聚合物的變形,線型非晶態(tài)聚合物是指結(jié)構(gòu)上無交聯(lián)、聚集態(tài)無結(jié)晶的高分子材料。 隨溫度不同而變化，可,處于玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘,流
5、態(tài)三種力學(xué)狀態(tài),(,圖,9-7),t,b,一脆化溫度,t,g,一玻璃化溫度,t,f,一粘流溫度,9,圖,9-8,為非晶態(tài)聚合物在不同溫度下的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。,10,一、玻璃態(tài)下的變形,t,b,聚合物處于硬玻璃態(tài)。,只有彈性變形階段，且伸長(zhǎng)率很小?？恐麈I鍵長(zhǎng)的微量伸縮和微小的鍵角變化來實(shí)現(xiàn)彈性變形。也為普彈性變形。,t,b,t,t,g,聚合物處于軟玻璃態(tài)。,a,點(diǎn)以下為普彈性變形；,a,s,段變形是由于外力作,用迫使鏈段運(yùn)動(dòng)所引起的，是為受迫高彈性變形。 去除外力后，溫度在,t,g,以下，變形可保留下來，可達(dá),300,1000,。在,t,g,溫度以上，這種變形可以消除。 在,s,點(diǎn)屈服后，應(yīng)力一
6、般會(huì)有所下降。試樣截面積減,小，分子鏈沿外力方向取向。 塑性變形抗力增大，應(yīng)力一應(yīng)變曲線復(fù)又上升，直至,斷裂。,11,（圖,9-9,為長(zhǎng)鏈聚合物的變形方式）,12,二、聚合物在高彈態(tài)下的變形,t,g,t,t,f,高彈性,其彈性變形量可達(dá),1000,，而其彈性模量,E,值卻只有,0.1,1GPa,，約為鋼的,1,10,。 鏈段的運(yùn)動(dòng)，引起分子構(gòu)象的變化。 原卷曲的鏈沿拉力方向伸長(zhǎng)，宏觀上表現(xiàn)為很大的彈性變形。去除外力后，接點(diǎn)及扭結(jié)的趨勢(shì)使聚合物鏈又回復(fù)至卷曲狀態(tài)，宏觀變形消失,(,回復(fù)過程需要一定時(shí)間,),。 如果聚合物鏈的交聯(lián)接點(diǎn)過多，會(huì)使交聯(lián)點(diǎn)間的鏈,段變短、降低鏈段的活動(dòng)性,(,柔性,),
7、，使彈性下降以至消,失，此時(shí)，彈性模量和硬度增加。,13,三、聚合物在粘流態(tài)下的變形,t,f,分子鏈在外力作用下可進(jìn)行整體相對(duì)滑,動(dòng)，呈粘性流動(dòng)，導(dǎo)致不可逆永久變形。聚合物,處于粘流狀態(tài)。 聚合物在粘流態(tài)下可具有部分彈性，其彈,性變形符合虎克定律，呈線性粘彈性行為。因?yàn)?卷曲的分子鏈在受載時(shí)可暫時(shí)伸長(zhǎng)，卸載后又重,新卷曲。,14,四、影響線型非晶態(tài)聚合物力學(xué)性能的因素,線型非晶態(tài)聚合物力學(xué)三狀態(tài),（玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)）及,與之有關(guān)的線彈性、滯彈性、粘,彈性和粘流性是描述聚合物力學(xué),性能的基礎(chǔ)。 除了與溫度、時(shí)間和應(yīng)力等外,部因素有關(guān)外，還與其微觀結(jié)構(gòu),及分子量等因素有關(guān)。 由圖可見，隨相對(duì)
8、分子質(zhì)量增,大，,t,g,升高，,t,g,t,f,溫度區(qū)間也增,大。,返回,15,10.3,結(jié)晶聚合物的變形,由于晶區(qū)內(nèi)的鏈段無法運(yùn)動(dòng)，結(jié)晶度高的聚,合物不存在高彈性，但具有較高的強(qiáng)度和硬度。 ,t,g,結(jié)晶態(tài),t,g,t,t,m,結(jié)晶態(tài)聚合物形成強(qiáng)韌,(,晶區(qū)與,非晶區(qū)復(fù)合作用,),的皮革態(tài)。,t,t,m,晶體相熔化，聚合物全部由非晶區(qū)組成，轉(zhuǎn)化成為高彈性的橡膠態(tài)。,16,未取向的結(jié)晶聚合物，其變形過程復(fù)雜。受載時(shí)，結(jié)晶區(qū)先被破壞，隨后再重新組成新的微纖維束定向排列的結(jié)構(gòu),(,圖,9-13),，其拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線示于圖,9-14,。,當(dāng)結(jié)晶聚合物出現(xiàn)屈服,(,曲線最高點(diǎn),),后，原有的結(jié)構(gòu)開
9、始破壞，試樣上出現(xiàn)縮頸，并沿長(zhǎng)度方向不斷擴(kuò)展。 如果在縮頸開始后不迅速發(fā)生斷裂，則隨應(yīng)變?cè)黾?，被破壞的晶體結(jié)構(gòu)又重新組成方向性好、強(qiáng)度高的微纖維新結(jié)構(gòu)。每個(gè)微纖維都有很高的強(qiáng)度，再加上微纖維間的聯(lián)系分子進(jìn)一步伸展，新結(jié)構(gòu)聚合物的抗變形能力增大。由于應(yīng)變硬化，應(yīng)力一應(yīng)變曲線再度上升，直至達(dá)到斷裂應(yīng)力。具有取向的聚合物呈各向異性。,返回,17,18,10.4,聚合物的粘彈性,聚合物在外力作用下，彈性和粘性兩種變形機(jī)理同時(shí)存在的力學(xué)行為稱為粘彈性。,一、靜態(tài)粘彈性,蠕變與應(yīng)力松弛,1,、蠕變與應(yīng)力松弛的特點(diǎn),大多數(shù)聚合物的,t,g,和,t,m,稍高于室溫，所以在室溫下聚合物就已有明顯的蠕變與應(yīng)力松弛
10、行為。 是大分子在外力長(zhǎng)時(shí)間作用下，逐漸發(fā)生構(gòu)象改變或位移變化的結(jié)果。 蠕變變形除不可回復(fù)的粘性變形外，還包含普彈性變形和高彈性變形。在外力去除后，普彈性變形迅速回復(fù)，而高彈性變形則緩慢地部分回復(fù)，與金屬蠕變的明顯區(qū)別。,19,2,、蠕變模量與應(yīng)力松弛模量,在恒定時(shí)間下的,應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖,9-16c,，曲線的斜率,稱為蠕變模量。應(yīng)力,松弛模量也與時(shí)間有,關(guān)。 蠕變模量和應(yīng)力,松弛模量是表征聚合,物粘彈性的力學(xué)性能,指標(biāo)。,20,3,、影響蠕變與應(yīng)力松弛的因素,聚合物的抗蠕變能力對(duì)溫度很敏感，在某些情況下對(duì)濕度也敏感。溫度每變化一度,(K),或相對(duì)濕度每變化,1,，某些聚合物的蠕變模量能改變,
11、4,。 溫度升高，應(yīng)力松弛速度加快；反之，溫度降低，松弛速度減慢。,21,凡是能增加分子間作用力和鏈段運(yùn)動(dòng)阻力的結(jié)構(gòu)因素，均能提高聚合物抗蠕變和應(yīng)力松弛能力。如：主鏈剛性大；相對(duì)分子質(zhì)量高；分子極性強(qiáng)，分子間作用力大；聚合物交聯(lián)等。 聚四氟乙烯分子鏈雖然剛性大，但分子間作用力小，所以抗蠕變松弛能力弱。 聚氨脂橡膠由于分子極性強(qiáng)，分子間作用力大，所以抗蠕變性能好。 聚氯乙烯塑料抗蠕變性能差，在架空時(shí)會(huì)因蠕變而逐漸彎曲。,22,二、動(dòng)態(tài)粘彈性,內(nèi)耗,聚合物的應(yīng)變隨時(shí)間的變化始終落后于應(yīng)力的變化，這一滯后效應(yīng)稱為動(dòng)態(tài)粘彈性現(xiàn)象。由于存在滯后效應(yīng)，使聚合物在交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變來不及完全恢復(fù)。未能釋放
12、的彈性能消耗于克服分子間的內(nèi)摩擦上，即產(chǎn)生了內(nèi)耗。這種內(nèi)耗轉(zhuǎn)化為熱能。,返回,23,10.5,聚合物的力學(xué)性能,1,、強(qiáng)度,比金屬低，一般為,20,80MPa,，比強(qiáng)度較金屬的高。 實(shí)際強(qiáng)度僅為其理論值的,1,200,。此與其結(jié)構(gòu)缺陷,(,如裂紋、雜質(zhì)、氣泡、空洞和表面劃痕等,),和分子鏈斷裂,不同時(shí)性有關(guān)。 主要的結(jié)構(gòu)因素有： （,1,）高分子鏈極性大或形成氫鍵能顯著提高強(qiáng)度。 （,2,）主鏈剛性大，強(qiáng)度高，但是鏈剛性太大，會(huì)使材料變脆。 （,3,）分子鏈支化程度增加，降低抗拉強(qiáng)度。 （,4,）分子間適度進(jìn)行交聯(lián)，提高抗拉強(qiáng)度；但交聯(lián)過多，因影響分子鏈取向，反而降低強(qiáng)度。,24,2,、銀紋與
13、斷裂過程,在拉應(yīng)力作用下，非晶態(tài)聚合物的某些薄弱地區(qū)，可應(yīng)力集中產(chǎn)生局部塑性變形，結(jié)果在其表面和內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)閃亮的、細(xì)長(zhǎng)形的,“,類裂紋,”,，稱為銀紋,(Craze),。,“,類裂紋,”,中有空洞，還有稱為銀紋質(zhì)的聚合物。 銀紋區(qū)仍有力學(xué)強(qiáng)度，但其密度較低，銀紋具有可逆性，在壓應(yīng)力作用下或經(jīng)玻璃化溫度以上退火處理，銀紋將會(huì)減少和消失。 銀紋是非晶態(tài)聚合物塑性變形的一種特殊形式，銀紋的形成增加聚合物的韌性，因?yàn)樗咕酆衔锏膽?yīng)力得到松弛；同時(shí)，銀紋中的微纖維表面積大，可吸收能量，對(duì)增加韌性也有作用。 聚合物形成銀紋類似于金屬韌性斷裂前產(chǎn)生的微孔。,25,3,、硬度與耐磨性,（,1,）硬度 聚合物的
14、硬度也比金屬低得多。 由于聚合物具有較大的柔性和彈性，故在不少場(chǎng)合下,顯示出較高的抗劃傷能力。,（,2,）耐磨性 聚合物的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)與金屬相差很大，兩者的粘著傾向很小。 在干摩擦條件下，聚合物一金屬摩擦副的耐磨性通常優(yōu)于大多數(shù)金屬與金屬配對(duì)的摩擦副。大多數(shù)液體對(duì)塑料具有潤(rùn)滑減摩作用。 特有的高彈性，可使接觸表面產(chǎn)生變形而不是切削犁溝損傷，故具有較好的抗磨粒磨損能力。但在鑿削式磨粒磨損情況下，聚合物的耐磨性比較差。,26,4,、疲勞強(qiáng)度,聚合物的疲勞強(qiáng)度低于金屬。 聚合物的疲勞破壞過程有兩種方式：,因大范圍滯后能累加產(chǎn)生的熱量使其軟化，喪失承載能力，是為熱疲勞破壞。,粘性流動(dòng)是熱疲勞破壞的主要原因；,在疲勞載荷作用下裂紋萌生、擴(kuò)展引起的機(jī)械疲勞斷裂。,27,
第10章 聚合物材料的力學(xué)性能
