6、臨 界壓力 s與垂直于該平面的 正壓力 N成正比。 Polymer c o n s tNs 內(nèi)摩擦系數(shù) 27 8.1.2.2 剪切帶 Shear band 在細頸出現(xiàn)之前試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成 45角的剪切滑移變形帶 WHY？ 圖 8-17 28 拉伸中材料某個面受力分析 橫截面 A0, 受到 的應(yīng)力 0=F/A0 29 斜截面 A c os 0AA c o sFF n s inFF s 受 力 20 0 c osc os/c os AFn 2s in21c oss in 0 0 AFs 法應(yīng)力 切應(yīng)力 30 Discussion =0 n=0
7、s=0 =45 n=0/2 s=0/2 =90 n=0 s=0 =45， 切應(yīng)力最大， s=0/2 20 c osn 2sin21 0s 31 圖 8-17 當(dāng) =+90時 2020 0 s inc osc os/c os AFn 2s in212s in21 00 s ss 0 nn 切應(yīng)力雙生互等定律： 在兩個相互垂直的斜面上的 剪應(yīng)力的數(shù)值相等，方向相反，它們是不能單獨存 在的，總是同時出現(xiàn) 32 剪切帶的特點 剪切帶傾角很少恰為 45,一般大于 45 剪切屈服沒有明顯的體積變化 剪切帶中的分子鏈高度取向 ,取向方向接近于外力 和剪切力合力
8、的方向 33 8.1.2.3 銀紋 Crazing 定義： 聚合物在張應(yīng)力作用下，于材料某些薄弱地方出現(xiàn)應(yīng) 力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以至在材料表面或內(nèi) 部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為 100m、寬度為 10 m左右、 厚度約為 1 m的微細凹槽或“裂紋”的現(xiàn)象 銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，常出現(xiàn)在非晶態(tài)聚合物 PS、 PMMA、 PC、 PSF，在晶態(tài)聚合物 PP等也有發(fā)現(xiàn) 34 Microstructure of crazing 微纖 Microfibril 微纖 與外力方向平行，銀紋 長度方向與外力垂直。 也稱為銀紋質(zhì) 高度取向的高分子鏈組成 35 銀紋方向和分子鏈方向
9、 聚合物橫向收縮不足補償塑 性伸長，致使銀紋體內(nèi)產(chǎn)生大量 空隙。銀紋不是空的，銀紋體的 密度為本體密度的 50%，折光指 數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)， 因此在銀紋和本體之間的界面上 將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn) 銀光閃閃的紋路。 F 36 應(yīng)力發(fā)白 現(xiàn)象： 橡膠改性的 PS： HIPS或 ABS在受到破壞時， 其應(yīng)力面變成乳白色，這就是所謂 應(yīng)力發(fā)白 現(xiàn)象。 應(yīng)力發(fā)白和銀紋化之間的差別 : 應(yīng)力發(fā)白是由大量尺 寸非常小的銀紋聚集而成。 37 銀 紋 的 擴 展 中間斷裂 擴展 形成裂紋 38 8.1.2.4 銀紋和剪切帶的比較 相同點 : 均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈
10、服現(xiàn)象 主要區(qū)別 形變 體積 力 結(jié)果 剪切屈服 銀紋屈服 形變大幾十 幾百 % 形變小 <10% 體積不變 體積增加 剪切力 張應(yīng)力 冷拉 裂縫 一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服 39 聚 合 物 的 斷 裂 和 強 度 第 二 節(jié) 40 炭黑填充天然橡膠斷口 全同立構(gòu)聚丁烯 41 如何區(qū)分斷 裂形式？ 關(guān)鍵看屈服 屈服 前 斷 脆性 斷裂 屈服 后 斷 韌性 斷裂 42 8.2.1 脆性斷裂與韌性斷裂 脆性 斷裂 屈服前 斷裂 無塑性 流動 表面 光滑 張應(yīng)力 分量 韌性 斷裂 屈服后 斷裂 有塑性 流動 表面 粗糙 切應(yīng)力
11、 分量 T T 43 試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān) ，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷 裂還與溫度 T 和拉伸速度 有關(guān) 。 低溫的脆性斷裂在高溫可以變成韌性 應(yīng)變速率 : 速度增加 ,韌性可以變成脆性斷裂 44 Comparing of brittle and ductile fractures （分析判斷） 脆性斷裂 韌性斷裂 屈服 -線 b 斷裂能 斷裂表面 斷裂原因 無 有 無 有 線性 非線性 線性 非線性 小 大 小 大 小 大 小 大 平滑 粗糙 平滑 粗糙 法向應(yīng)力 剪切應(yīng)力 法向應(yīng)力 剪切應(yīng)力 45 相比于脆性斷裂，
12、韌性斷裂的斷裂面較為 斷裂伸長率較 光滑 大 小 粗糙 例題： 46 脆韌轉(zhuǎn)變溫度 Tb Tb is also called brittle temperature. 脆化溫度，脆化點 在一定速率下（不同溫 度）測定的斷裂應(yīng)力和 屈服應(yīng)力，作 斷裂應(yīng)力 和 屈服應(yīng)力 隨溫度的變 化曲線 47 斷裂應(yīng)力 和 屈服應(yīng)力 誰對應(yīng)變速率更敏感？ 在一定溫度下（不同速 率）測定的斷裂應(yīng)力和 屈服應(yīng)力，作 斷裂應(yīng)力 和 屈服應(yīng)力 隨應(yīng)變速率 的變化曲線 48 脆性斷裂和韌性斷裂判斷 TTb, 先達到 y， 韌性斷裂 49 Application 對材料 一般使用溫度 為哪一段？
13、T Tb Tb越低材料韌性越 好 差 50 TbTg TfTd Three states TgTf 51 Example PC聚碳酸酯 Tg=150 C Tb=-20 C 室溫下易不易碎？ 52 Example PMMA聚甲基丙烯酸甲酯 Tg=100 C Tb=90 C 室溫下脆還是韌？ 53 . 4 . 3 . 2 . 1 Strain rate 拉伸速率增加，屈服應(yīng)力增加 The influence on Tb 增加應(yīng)變速率 ，脆化溫度如何變化？ 存在缺口 ，形成應(yīng)力集中，趨向于 脆性，脆化溫度升高。 54 聚合物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
14、子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。 化學(xué)鍵拉斷 15000MPa 分子間滑脫 5000MPa 分子間扯離 氫鍵 500MPa 范德華力 100MPa 理論值 8.2.2 材料的斷裂方式分析 55 在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂 強度在幾千 MPa，而實際只有幾十 Mpa 。 WHY？ e.g. PA, 60 MPa PPO, 70 MPa t h e o r ye r i m e n t )1000 1 100 1( e x p 理論值與實驗結(jié)果相差原因 樣條存在缺陷 應(yīng)力集中 56 為什么材料的實際強度遠 遠低于理論強度？ 存在缺陷 為什么在缺陷處斷裂
15、？ 缺陷處應(yīng)力集中 缺陷處應(yīng)力多大？ Griffith theory Griffith crack theory 斷裂理論 57 強度是指物質(zhì)抵抗 破壞的能力 張應(yīng)力 拉伸強度 彎曲力矩 抗彎強度 壓應(yīng)力 壓縮強度 拉伸模量 彎曲模量 壓縮模量 8.2.3 聚合物的強度 58 8.2.3.1 聚合物的拉伸強度 Tensile strength 屈服強度 斷裂強度 bd P t b-試樣厚度， d-試樣寬度 P-最大載荷 統(tǒng)一使用 拉伸強度 t N/m2 59 硬度 衡量材料表面抵抗機械壓力的能力的一種指標(biāo) 硬度的大小與材料的拉伸強度和彈性模量有關(guān) 測量和計算
16、方法不同 ,硬度可分為布氏、洛氏、邵氏硬度 60 化學(xué)鍵拉斷 分子間滑脫 分子間扯離 主要方式 化學(xué)鍵斷裂 所需力最大 分子間扯離 所需力最小 通過斷裂形式分析： 分子之間相互作用大小對強度影響最大 8.2.3.2 影響拉伸強度的因素 61 極性基團或氫鍵 主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu) 適度的交聯(lián) 結(jié)晶度大 取向 高 低 拉伸強度 t 高 低 加入增塑劑 高 低 高 低 高 低 高 低 缺陷存在 高 低 分子結(jié)構(gòu) 1，分子結(jié)構(gòu) 62 2，結(jié)晶對聚合物力學(xué)性能的影響 結(jié)晶度 模量 屈服強度 斷裂強度 (1) 結(jié)晶度 63 一般希望部分結(jié)晶制
17、品內(nèi)的球晶尺寸小而均勻。 僅靠溫度控制球晶尺寸時，一般大球晶制品的結(jié)晶度高于小 球晶制品的結(jié)晶度；但是，如果采用成核劑，則小球晶制品 的結(jié)晶度未必低，因此可能具有很好的力學(xué)性能。 (2) 球晶尺寸 64 溫度高 應(yīng)變速率大 高 低 高 低 拉伸強度 t 3，外界因素 65 增強途徑 8.2.3.3 增強 Reinforcement C ， SiO2 Polyester Glass, Carbon fiber (1) 活性粒子（ Powder） (2) 纖維 Fiber (3) 液晶 Liquid Crystal 粉狀和纖維填料 液晶原位增強復(fù)合 聚合物基納米復(fù)合材料
18、66 （ 1）活性粒子增強 Carbon black reinforcement 橡膠 +碳黑 增強機理： 活性粒子吸附大分子，形成鏈間物理交聯(lián)， 活性粒子起物理交聯(lián)點的作用。 惰性填料作用？ 例： PVC+CaCO3， PP+滑石粉 67 （ 2）纖維增強 Glass steel boat glassy fiber+polyester 增強機理： 纖維作為骨架幫助基體承擔(dān)載荷 例：尼龍 +玻纖 /碳纖維 /晶須 /硼纖維 增強效果與纖維的長度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關(guān) 68 （ 3） 液晶原位增強 增強機理： 熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混 物中形成微纖結(jié)構(gòu)而到增強
19、作用。由于微纖結(jié) 構(gòu)是加工過程中由液晶棒狀分子在共混物基體 中就地形成的，故稱做“ 原位 ”復(fù)合增強。 熱致液晶 +熱塑性聚合物 共聚酯，聚芳酯 Xydar, Vector, Rodrum 69 (4) 聚合物基納米復(fù)合材料 插層復(fù)合法 (intercalation compouding) 聚合物 /粘土納米復(fù)合材料 共混法 聚合物 /納米粒子 (CaCO3, SiO2 etc) Sol-gel 法 原位聚合 (in situ polymerization) 70 d Stress-strain曲線下面積稱作 斷裂能 ： 材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。 反映材料 拉伸斷裂韌
20、性 大小 8.2.4 聚合物的韌性和增韌 斷裂能 Fracture energy 71 是衡量材料韌性的一種指標(biāo) db W i 沖斷試樣所消耗的功 沖斷試樣的厚度和寬度 8.2.4.1 沖擊強度 Impact strength 定義： 試樣在沖擊載荷 W的作用下折斷或折裂時 單位截面積所吸收的能量 72 Pendulum machine 擺錘沖擊機 Charpy 簡支梁 Izod 懸臂梁 73 8.2.4.2 影響沖擊強度的因素 極性基團或氫鍵 有支鏈結(jié)構(gòu) 適度交聯(lián) 結(jié)晶度大 雙軸取向 好 差 好 差 加入增塑劑 好 差 好 差 好 差 好 差
21、沖擊強度 高分子的結(jié)構(gòu) 74 外界因素 溫度高 外力作用時間長 好 差 好 差 沖擊強度 i 75 8.2.4.3 聚合物的增韌 橡膠或彈性體增韌塑料 剛性粒子增韌 76 (1) 橡膠增韌塑料 e.g PVC CPE， PP EPDM 增韌效果取決于分散相相疇大小和界面粘接力 ,即兩者相容性 . 77 銀紋機理： 橡膠粒子作為應(yīng)力集中物誘發(fā)基體產(chǎn)生銀 紋而吸收能量。 銀紋 剪切帶機理： 橡膠粒子作為應(yīng)力集中物，在外力 作用下誘發(fā)大量銀紋和剪切帶，吸收能量。橡膠粒子和 剪切帶控制和終止銀紋。 空穴化機理 : 橡膠粒子與分散相發(fā)生界面脫黏，形成 微孔。一定應(yīng)力值下橡膠粒子內(nèi)部產(chǎn)生空洞。微孔和 空洞吸收能量。 橡膠增韌塑料的增韌機理 78 本章小結(jié) 聚合物的應(yīng)力 應(yīng)變曲線：得到信息；溫度、 應(yīng)變速率的影響等 聚合物的屈服：剪切帶、銀紋、冷拉 聚合物的斷裂與強度：分子鏈結(jié)構(gòu)的影響 聚合物的增強和增韌
高分子物理第八章.ppt
