1、第六章 高聚物力学性能1 1 概述概述 1-1 描述力学性能基本物理量 1-2 高聚物力学性能特点2 2 高聚物拉伸行为高聚物拉伸行为 2-1 应力应变曲线 2-2 玻璃态非晶高聚物拉伸 2-3 结晶高聚物拉伸 2-4 真应力-应变曲线几其屈服判据3 3 高聚物强度高聚物强度 第1页11概述概述1-1 1-1 描述力学性质基本物理量描述力学性质基本物理量应力应力;应变应变(形变形变);模强度模强度;硬度等硬度等拉伸强度拉伸强度(断裂强度断裂强度);断裂伸断裂伸长长率率 三种基本应变类型三种基本应变类型 简单简单拉伸拉伸 简单简单剪切剪切 均匀均匀压缩压缩第2页三种基本应变模量拉伸拉伸:杨氏模量
2、 E(MPa)-应力 -应变 F-拉伸力 AO-试样原始截面积 lO-试样原始长度 l-伸长长度第3页三种基本应变模量剪切剪切:剪切模量:G(MPa)s 剪切应力 剪切应变=tg 第4页三种基本应变模量压缩压缩:体积模量 B(Kg)P 流体静压力V 体积改变 VO 原始体积第5页三种应变模量关系对于各向同性材料有 E=2G(1+)=3B(1-2)(泊松比):横向形变与纵向形变之比 普通材料约为0.20.5 注意!上述四个参数中只有两个是独立第6页不一样材料泊松比材料名材料名称称泊松比泊松比材料名材料名称称泊松比泊松比锌0.21玻璃0.25钢0.250.35石料0.160.34铜0.310.34
3、聚苯乙系0.33铝0.320.36聚乙烯0.38铅0.45赛璐珞0.39汞0.50橡胶类0.490.50第7页惯用几个力学强度拉伸强度拉伸强度t=P/bd t=P/bd（最大负荷（最大负荷/截面积截面积)Mpa 1 1 Mpa=9.8 kg/cm=9.8 kg/cm2 2 10 kg/cm 10 kg/cm2 2 弯曲强度弯曲强度 f=1.5(Plo/bd)MPa冲击强度冲击强度 i=W/bd Kg cm/cm2 注意!不一样方法测量结果会有不一样第8页常见塑料拉伸和弯曲强度常见塑料拉伸和弯曲强度塑料名称塑料名称拉伸拉伸强强度度（MPa）伸伸长长率率%拉伸模量拉伸模量（GPa）弯曲弯曲强强度度
4、（MPa）弯曲模量弯曲模量（GPa）低低压压聚乙聚乙烯烯2239601500.840.9525401.11.4聚苯乙聚苯乙烯烯35.263.312252.83.561.298.4ABS塑料塑料16.963.3101400.72.925.394.93.0有机玻璃有机玻璃49.277.32103.291.4119聚丙聚丙烯烯33.742.22007001.21.442.256.21.21.6聚聚氯氯乙乙烯烯35.263.320402.54.270.3112尼尼龙龙6683603.23.31001102.93.0尼尼龙龙674781502.61002.42.6尼尼龙龙101052551002501.
5、6891.3聚甲聚甲醛醛626860752.891922.6聚碳酸聚碳酸酯酯67601002.22.4981062.03.0聚聚砜砜7285201002.52.91081272.8聚聚酰亚酰亚胺胺94.5681003.2聚苯聚苯醚醚86.589.530802.62.8981372.02.1氯氯化聚化聚醚醚42.3601601.170770.9线线性聚性聚酯酯802002.9117聚四氟乙聚四氟乙烯烯14252503500.41114第9页1-2 高聚物力学性能特点高弹性高弹性高聚物特有 显示高弹性温度范围(TgTf)分子量 温度范围(TgTf)增宽 (TgTf)范围决定了橡胶使用温度范围第10
6、页1-2 高聚物力学性能特点粘弹性粘弹性力学行力学行为对为对温度和温度和时间时间 有有强强烈依烈依赖赖关系关系 为高聚物独特力学行为 （应力）（应力）（应变）（应变）在研究高聚物力学行为在研究高聚物力学行为 T（温度）（温度）时必须同时考虑时必须同时考虑 t（时间）（时间）第11页1-2 高聚物力学性能特点比强度特高比强度特高 比强度单位重量材料能承受 最大负荷第12页几个金属材料和塑料几个金属材料和塑料(增强增强)比强度比强度材材 料料 名名 称称比比 重重拉伸强度（拉伸强度（MPa）比比 强强 度度高级合金钢8.01280160A3钢7.8540050铝合金2.8420160铸铁7.424
7、032聚乙烯0.953031.6尼龙661.128374.1玻璃增强尼龙661.31.598218143聚酯玻璃钢1.8290160环氧玻璃钢1.73500280酚醛玻璃钢1.75200115玻璃增强聚碳酸酯1.412013092.9玻璃增强聚乙烯1.16357.3玻璃增强聚丙烯1.051.24426350.8玻璃增强聚苯乙烯1.21.3638464.6玻璃增强聚砜1.4512686.9玻璃增强ABS1.231.365913397.8第13页2 高聚物拉伸行为11 11 应力应力 应变应变曲线曲线 最惯用于描述高聚物力学性能最惯用于描述高聚物力学性能 应力应变曲线形状取决于应力应变曲线形状取决
8、于:化学组成化学组成 ,结构结构 化学结构化学结构 分子量及其分布分子量及其分布 支化交联支化交联 结局及取向结局及取向 物理结构物理结构 晶区大小与形状晶区大小与形状 加工形态加工形态 试验测试条件试验测试条件温度、速率等温度、速率等第14页经典曲线第15页经典曲线屈服点屈服点Y:d /d =0 Y前部前部弹性区域弹性区域 E E大形变小可逆大形变小可逆 Y后部后部塑性区域塑性区域 E E小形变大不可逆小形变大不可逆拉伸拉伸(断裂断裂)强度强度X X 屈服点屈服点Y前断裂前断裂脆性断裂脆性断裂 屈服点屈服点Y后断裂后断裂韧性断裂韧性断裂 第16页2 2 玻璃态非晶高聚物拉伸温度影响温度影响
9、a)T Tg 脆性断裂、形变小、脆性断裂、形变小、b)T Tg 出出现现屈服点形屈服点形变变稍大稍大 前部前部 c)T Tg 进进入高入高弹态弹态、形、形变变大大 不出不出现现屈服点屈服点第17页2 2 玻璃态非晶高聚物拉伸第18页2 2 玻璃态非晶高聚物拉伸 拉伸速率影响拉伸速率影响 断裂强度断裂强度拉伸速率拉伸速率 相当于温度相当于温度 断裂伸长率断裂伸长率拉伸速率拉伸速率 相当于温度相当于温度第19页2 2 玻璃态非晶高聚物拉伸 受迫高弹态受迫高弹态有些玻璃态高聚物在大应力作用下有些玻璃态高聚物在大应力作用下能产生大形变能产生大形变(高弹形变高弹形变)产生产生原因原因:外力使链段运动松弛
10、时间外力使链段运动松弛时间E:E:活化能活化能 :外力外力:材料常数材料常数:松弛时间松弛时间R:R:气体常数气体常数 T:T:温度温度 第20页 受迫高弹态出现条件出现条件 屈服应力屈服应力Y 断裂断裂应应力力X 温度范温度范围围 TbTTg Tb为为脆化温度脆化温度 拉伸速率适当拉伸速率适当第21页23 结晶高聚物拉伸曲线可分为三个阶段曲线可分为三个阶段试样均匀拉伸应力随应变线性试样均匀拉伸应力随应变线性 至至Y出现出现”细径细径”并不停扩展并不停扩展,应力几乎恒定应力几乎恒定成径后继续均匀拉伸成径后继续均匀拉伸,应力应力 直至断裂直至断裂第22页2-3 结晶高聚物拉伸分子机理分子机理:发
11、烧软化理论发烧软化理论 外力作用外力作用 缩径区分子链取向缩径区分子链取向 构象熵构象熵 S 减小减小,S0 放放热热 缩缩径区附近温度径区附近温度 屈服屈服强强度度 轻轻易易变变形使形使缩缩径深入径深入扩扩大大 第23页2-4 2-4 真应力真应力-应变曲线及其屈服判据应变曲线及其屈服判据拉伸形变时截面积生改变拉伸形变时截面积生改变 使使若形变时体积不发生改变则有若形变时体积不发生改变则有令令:伸长比伸长比则有则有:第24页2-4 2-4 真应力真应力-应变曲线及其屈服判据应变曲线及其屈服判据按照定义按照定义:屈服点为屈服点为则有则有:为为 曲线上屈线斜率曲线上屈线斜率第25页2-4 2-4
12、 真应力真应力-应变曲线及其屈服判据应变曲线及其屈服判据当当第26页3 3 高聚物强度高聚物强度3-1 拉伸强度高聚物理论强度 化学键破坏化学键破坏 高聚物拉断高聚物拉断 分子间滑脱分子间滑脱 次价力破坏次价力破坏第27页高聚物理论强度化学键破坏化学键破坏分析思绪 共价键键能共价键键能 每根键键能每根键键能 拉断一根键力拉断一根键力 拉断单位面积力拉断单位面积力(拉断强度拉断强度)*C-CC-C键键能键键能U:350U:350千焦千焦/克分子克分子 *每根键键能每根键键能:E=U/N6*10:E=U/N6*10-12-12尔格尔格/键键 *共价键原子位移共价键原子位移:*拉断一根键力拉断一根键
13、力:F=E/d4*10:F=E/d4*10-4-4达因达因/键键 第28页高聚物理论强度化学键破坏化学键破坏 PE理论强度理论强度 由由PE晶胞计算得每晶胞计算得每cm2有有5*105*101414根分子链根分子链 (4*10(4*10-4-4达因达因/键键)*(5*10)*(5*101414键键/cm/cm2 2)2*10 2*105 5 kg/cm kg/cm2 2 PE PE 实际强度实际强度:200:200400 400 kg/cmkg/cm2 2第29页高聚物理论强度分子间滑脱分子间滑脱 分子链之间次价力分子链之间次价力(氢氢+范范)全部破坏全部破坏 普通普通 5A长度之间次价力长度
14、之间次价力 约为约为20千焦千焦/克分子克分子 1000A长分子链之间次价力长分子链之间次价力 可达可达:4000千焦千焦/克分子克分子11U11U 对于不存在氢键情况其作用为对于不存在氢键情况其作用为 3U3U第30页高聚物理论强度次价力破坏次价力破坏局部破坏局部破坏 氢键解离能 20 kJ/mol 作用距离 3A 破坏一个氢键约需作用力:110-10牛顿/个 范德化力解离能 8 kJ/mol 作用距离 4A 破坏一个范德化力约需:310-11牛顿/个 假定在 25A2上有一个氢键和一个范德化力 理论强度:氢键作用 3103 kg/cm2 范德化力作用 1103 kg/cm2 与高度取向纤维
15、强度到达同一数量级 液晶聚芳酯纤维 1176 kg/cm2第31页高聚物理论强度高聚物破坏过程高聚物破坏过程 首先首先在未取向部分次价力在未取向部分次价力(局部局部)被破坏被破坏 然后然后因为应力集中使分子主链因为应力集中使分子主链(局局 部部)断裂断裂 最终最终继续因为应力集中使出现宏观继续因为应力集中使出现宏观 上断裂上断裂第32页3-1 拉伸强度 影响聚合物强度原因高聚物分子结构影响高聚物分子结构影响 *增加分子链间作用力可提升拉伸强度增加分子链间作用力可提升拉伸强度 *引入极性基团和形成氢键基团引入极性基团和形成氢键基团 聚聚酰酰胺胺(氢键氢键)聚聚氯氯乙乙烯烯(极性基极性基团团)聚异
16、丁聚异丁烯烯 *刚刚性性链结链结构原因使构原因使和和 E E 均均 第33页 影响聚合物强度原因影响聚合物强度原因结晶、取向和交联结晶、取向和交联 结晶使分子间排列紧密结晶使分子间排列紧密 分子间作用力分子间作用力 取向取向分子分子链协链协同作用同作用 适度交适度交联联使分子使分子间间作用力作用力 过过分交分交联联将使材料将使材料变变脆弱脆弱第34页 影响聚合物强度原因影响聚合物强度原因 分子量影响分子量影响原因原因:分子链链端对强度无贡献分子链链端对强度无贡献分子量越高端链所占百分比分子量越高端链所占百分比越少越少,强度越高强度越高极性聚合物极性聚合物(PA等等)分子量应达分子量应达 0或以
17、上或以上非极性聚合物非极性聚合物(PE等等)分子量应达分子量应达 50000或以上或以上第35页 影响聚合物强度原因影响聚合物强度原因 共聚和共混共聚和共混是改进力学性能主要伎俩共聚和共混是改进力学性能主要伎俩 脆性聚合物脆性聚合物+韧性聚合物韧性聚合物 两相体系两相体系 PS共混共混HIPS(HIPS(高抗冲聚苯乙烯高抗冲聚苯乙烯)PSPS三元共聚三元共聚ABSABS第36页 影响聚合物强度原因影响聚合物强度原因 增塑剂和填充料增塑剂加入使分子间作用增塑剂加入使分子间作用 惰性填料惰性填料(CaCO3等等)降低成本降低成本填料填料 活性填料活性填料(碳黑等碳黑等)增增强强作用作用 功效性填料
18、功效性填料赋赋于高聚物一些特殊功效于高聚物一些特殊功效 阻燃性阻燃性:Mg(OH):Mg(OH)2 2;Al(OH);Al(OH)3 3 等等 减摩减摩润润滑性滑性:石墨石墨;二硫化二硫化钼钼等等 导电导电性性:导电导电碳黑碳黑 ,金属粉等金属粉等 磁性磁性:铁铁氧体氧体,稀土稀土类类元素元素 隔音性隔音性:高密度金属粉高密度金属粉 压电压电性性:钛钛酸酸锆钛锆钛酸酸铅铅等等 第37页 影响聚合物强度原因影响聚合物强度原因 应力集中第38页 影响聚合物强度原因影响聚合物强度原因 应力集中 当 a=b 时 t 3o 当 a b 时 t 10o 甚至更大第39页 影响聚合物强度原因影响聚合物强度原
19、因拉伸温度影响拉伸温度影响:T 拉伸速度影响拉伸速度影响:速度屈服强度 提升(降低)拉伸速率 降低(升高)拉伸温度第40页3-2 冲击强度(韧性)影响冲击强度原因影响冲击强度原因 结晶性结晶性:高弹态下结晶存在使冲击强度 玻璃态下结晶寸在使冲击强度 填充料填充料:纤维状填充料可提升冲击强度 粉末状填充料普通使冲击强度 温度温度:热塑性塑料在 Tg附近 T冲击强度 热固性塑料温度影响不显著 增塑剂增塑剂:加入后冲击强度但拉伸强度第41页3-2 冲击强度(韧性)高聚物增韧高聚物增韧开发高韧性开发高韧性(高拉伸强度高拉伸强度)聚合物聚合物 工程塑料工程塑料聚碳酸酯聚碳酸酯,聚砜聚砜.聚芳酯等聚芳酯等对通用塑料改性增韧对通用塑料改性增韧 惯用方法是橡胶增韧塑料惯用方法是橡胶增韧塑料第42页3-2 冲击强度(韧性)1区区:TTg(橡胶橡胶)强度开始增加强度开始增加 部分断面粗糙部分断面粗糙3区区:TTg(橡胶橡胶)韧性韧性,强度速增加强度速增加 断面平滑断面平滑 第43页拉伸速度对增韧拉伸速度对增韧PS力学性能影响力学性能影响拉伸速度拉伸速度（吋（吋/分）分）屈服屈服强强度度（相（相对值对值）断裂伸断裂伸长长率率（%）0.0523922.20.2526826.01.2531722.35.035312.020.03343.5第44页
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