第10章 聚合物材料的力學性能

單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第十章,聚合物材料的力學性能,§,10.1,聚合物材料的結(jié)構(gòu)與性能特點,§,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,聚合物的力學性能,1,§,10.1,聚合物材料的結(jié)構(gòu)與性能特點,分子質(zhì)量大于,1,萬以上的有機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。 原子之間由共價鍵結(jié)合，稱為主價鍵； 分子之間由范德瓦爾鍵連接，稱為次價鍵。 分子間次價鍵力之和遠超過分子中原子間主價鍵的結(jié)合,力。拉伸時常常先發(fā)生原子鍵的斷裂。而不是分子鏈之間的滑脫。 聚合物的小分子化合物稱為單體，組成聚合物長鏈的基,本結(jié)構(gòu)單元則稱為鏈節(jié)。 聚合物長鏈的重復鏈節(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)）,由化學鍵所固定的幾何形狀,指,高分子鏈的化學組成、鍵接方式和立,體構(gòu)型等。 長支鏈、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,4,2,、高分子鏈的構(gòu)象,（遠程結(jié)構(gòu)）,一根巨分子長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)則線團形態(tài)。在外力作用下，聚合物,的長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： 聚合物為復合物（各個巨分子的分子量不一定相同）； 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、力學性能特點,(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 高彈性對時間有強烈依賴性。應變落后于應力：室溫下可能產(chǎn)生蠕變和應力松弛。,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,流態(tài)三種力學狀態(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力一應變曲線。,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，且伸長率很小?？恐麈I鍵長的微量伸縮和微小的鍵角變化來實現(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,用迫使鏈段運動所引起的，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,300,1000,。在,t,g,溫度以上，這種變形可以消除。 在,s,點屈服后，應力一般會有所下降。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，應力一應變曲線復又上升，直至,斷裂。,11,（圖,9-9,為長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,1000,，而其彈性模量,E,值卻只有,0.1,1GPa,，約為鋼的,1,10,。 鏈段的運動，引起分子構(gòu)象的變化。 原卷曲的鏈沿拉力方向伸長，宏觀上表現(xiàn)為很大的彈性變形。去除外力后，接點及扭結(jié)的趨勢使聚合物鏈又回復至卷曲狀態(tài)，宏觀變形消失,(,回復過程需要一定時間,),。 如果聚合物鏈的交聯(lián)接點過多，會使交聯(lián)點間的鏈,段變短、降低鏈段的活動性,(,柔性,),，使彈性下降以至消,失，此時，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行整體相對滑,動，呈粘性流動，導致不可逆永久變形。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。因為,卷曲的分子鏈在受載時可暫時伸長，卸載后又重,新卷曲。,14,四、影響線型非晶態(tài)聚合物力學性能的因素,線型非晶態(tài)聚合物力學三狀態(tài),（玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)）及,與之有關的線彈性、滯彈性、粘,彈性和粘流性是描述聚合物力學,性能的基礎。 除了與溫度、時間和應力等外,部因素有關外，還與其微觀結(jié)構(gòu),及分子量等因素有關。 由圖可見，隨相對分子質(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)的鏈段無法運動，結(jié)晶度高的聚,合物不存在高彈性，但具有較高的強度和硬度。 ,t,g,結(jié)晶態(tài),t,g,t,t,m,結(jié)晶態(tài)聚合物形成強韌,(,晶區(qū)與,非晶區(qū)復合作用,),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，其變形過程復雜。受載時，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),，其拉伸應力應變曲線示于圖,9-14,。,當結(jié)晶聚合物出現(xiàn)屈服,(,曲線最高點,),后，原有的結(jié)構(gòu)開始破壞，試樣上出現(xiàn)縮頸，并沿長度方向不斷擴展。 如果在縮頸開始后不迅速發(fā)生斷裂，則隨應變增加，被破壞的晶體結(jié)構(gòu)又重新組成方向性好、強度高的微纖維新結(jié)構(gòu)。每個微纖維都有很高的強度，再加上微纖維間的聯(lián)系分子進一步伸展，新結(jié)構(gòu)聚合物的抗變形能力增大。由于應變硬化，應力一應變曲線再度上升，直至達到斷裂應力。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理同時存在的力學行為稱為粘彈性。,一、靜態(tài)粘彈性,蠕變與應力松弛,1,、蠕變與應力松弛的特點,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力松弛行為。 是大分子在外力長時間作用下，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，而高彈性變形則緩慢地部分回復，與金屬蠕變的明顯區(qū)別。,19,2,、蠕變模量與應力松弛模量,在恒定時間下的,應力應變曲線如圖,9-16c,，曲線的斜率,稱為蠕變模量。應力,松弛模量也與時間有,關。 蠕變模量和應力,松弛模量是表征聚合,物粘彈性的力學性能,指標。,20,3,、影響蠕變與應力松弛的因素,聚合物的抗蠕變能力對溫度很敏感，在某些情況下對濕度也敏感。溫度每變化一度,(K),或相對濕度每變化,1,，某些聚合物的蠕變模量能改變,4,。 溫度升高，應力松弛速度加快；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動阻力的結(jié)構(gòu)因素，均能提高聚合物抗蠕變和應力松弛能力。如：主鏈剛性大；相對分子質(zhì)量高；分子極性強，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，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，在架空時會因蠕變而逐漸彎曲。,22,二、動態(tài)粘彈性,內(nèi)耗,聚合物的應變隨時間的變化始終落后于應力的變化，這一滯后效應稱為動態(tài)粘彈性現(xiàn)象。由于存在滯后效應，使聚合物在交變應力作用下，應變來不及完全恢復。未能釋放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,聚合物的力學性能,1,、強度,比金屬低，一般為,20,80MPa,，比強度較金屬的高。 實際強度僅為其理論值的,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,不同時性有關。 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度。 （,2,）主鏈剛性大，強度高，但是鏈剛性太大，會使材料變脆。 （,3,）分子鏈支化程度增加，降低抗拉強度。 （,4,）分子間適度進行交聯(lián)，提高抗拉強度；但交聯(lián)過多，因影響分子鏈取向，反而降低強度。,24,2,、銀紋與斷裂過程,在拉應力作用下，非晶態(tài)聚合物的某些薄弱地區(qū)，可應力集中產(chǎn)生局部塑性變形，結(jié)果在其表面和內(nèi)部會出現(xiàn)閃亮的、細長形的,“,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)仍有力學強度，但其密度較低，銀紋具有可逆性，在壓應力作用下或經(jīng)玻璃化溫度以上退火處理，銀紋將會減少和消失。 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，因為它使聚合物的應力得到松弛；同時，銀紋中的微纖維表面積大，可吸收能量，對增加韌性也有作用。 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，故在不少場合下,顯示出較高的抗劃傷能力。,（,2,）耐磨性 聚合物的化學組成和結(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)金屬與金屬配對的摩擦副。大多數(shù)液體對塑料具有潤滑減摩作用。 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,、疲勞強度,聚合物的疲勞強度低于金屬。 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。,粘性流動是熱疲勞破壞的主要原因；,在疲勞載荷作用下裂紋萌生、擴展引起的機械疲勞斷裂。,27,