高分子物理

高分子物理高分子的力学性能引言高分子是由大量重复单元组成的长链聚合物，具有广泛的应用领域。

高分子材料的力学性能是评估其性能和应用范围的重要指标之一。

本文将重点介绍高分子物理高分子的力学性能，包括拉伸性能、弯曲性能和压缩性能。

拉伸性能拉伸性能是衡量高分子材料抵抗拉伸变形的能力。

引伸模量是评估高分子材料刚度的指标，反映了材料在受力下沿着拉伸方向的抗弯刚度。

拉伸模量越大，材料刚度越高，说明材料越难被拉伸变形。

另一个重要的指标是断裂伸长率，即材料在断裂前所能延伸的长度与原始长度之比。

断裂伸长率越大，材料的延展性越好，能够在受力下更好地承受高应变。

弯曲性能弯曲性能是评估高分子材料在受力下的弯曲变形能力。

弯曲模量是衡量材料刚度和弯曲抗弯能力的指标，它反映了材料在弯曲过程中所需的力和弯曲程度之间的关系。

弯曲模量越大，材料的刚度越好，弯曲变形能力越低。

另一个重要的指标是弯曲强度，即材料在抵抗内部应力下断裂弯曲的能力。

弯曲强度越高，材料越能够承受弯曲应力而不断裂。

压缩性能压缩性能是评估高分子材料在受力下的抗压能力。

压缩模量是衡量材料在受压过程中抗弯刚度的指标，它反映了材料在压缩过程中所需的力和压缩程度之间的关系。

压缩模量越大，材料的刚度越高，抗压变形能力越低。

另一个重要的指标是压缩强度，即材料在抵抗内部应力下断裂压缩的能力。

压缩强度越高，材料越能够承受压缩应力而不断裂。

影响高分子材料力学性能的因素高分子材料的力学性能受多种因素影响。

其中，聚合度是一个重要的因素，即聚合物链的长度。

聚合度越高，链段之间的力学相互作用越多，因此材料的力学性能越好。

另一个重要因素是材料的结晶度。

高结晶度的材料通常具有更好的力学性能，因为结晶区域可以提供更多的强度和刚度。

此外，材料的处理方式和加工工艺也会对力学性能产生影响。

高分子物理高分子的力学性能是评估其应用潜力和性能表现的关键指标。

拉伸性能、弯曲性能和压缩性能是评估高分子材料力学性能的重要指标。

近程结构：高分子中与结构单元相关的化学结构，包括结构单元的构造与构型远程结构：指与整个高分子链相关的结构构型：分子链中由化学键所固定的原子在空间的几何排布方式构象：分子链中单键内旋转所形成的原子或基团在空间的几何排列图像碳链高分子：高分子主链全部由碳原子组成，且碳原子之间以共价键连接而成的高分子杂链高分子：主链上除碳原子外，还有氧氮硫等其他原子存在，原子键以共价键相连接的高分子元素有机高分子：主链不含碳原子，由Si,B,P,Al,Ti,As,O等无机元素组成，侧基为有机取代基团链接异构：结构单元在分子链中因键接顺序或连接方式不同而形成的异构体序列异构：不同序列排布方式形成的键接异构体旋光异构：d型和l型旋光异构单元在分子链中排列方式不同而构成的异构体几何异构：根据内双键连接的两个碳原子上键接基团在键两侧的排列方式分出顺式和反式两种立体异构体，称为顺反异构体，也称为几何异构体全同立构：分子链中所有不对称碳原子均以相同的构型键接间同立构：分子链中的不对称碳原子分别以d型和l型交替键接无规立构：分子链中的不对称碳原子以d和l构型任意键接线性高分子：具有一维拓扑结构的线性长链，长径比大，每个分子链带有两个端基支化高分子：分子主链上带有与其化学组成相同而长短不一的支链的高分子，端基数目大于2交联网络：经交联后，分子链形成的具有一定强度的网状结构内旋转：与σ键相连的两个原子可以做相对旋转而不影响σ键电子云的分布，称为σ键的内旋转内旋转势垒：内旋转时需要消耗一定能量以克服所受的阻力，所需能量即为内旋转势垒内旋转势能差：内旋转异构体之间的势能差称为内旋转势能差静态分子链柔顺性：又称为平衡态柔顺性，指高分子链在热力学平衡条件下的柔顺性动态分子链柔顺性：指分子链在一定外界条件下，微构象从一种平衡态构象转变到另一种平衡态构象的速度或难易程度链段：如果人为的将若干个相互牵连的相邻σ键合并，看做一个相对独立的单元，即为链段均方末端距：均方末端距为末端距向量的平方按分子链构象分布求得的统计平均值均方旋转半径：均方旋转半径定义为从分子链质心到各质点的向量的平方以质点质量为权重的统计平均值伸展链：呈充分伸展的宏构象的高分子链自由连接链：假定分子链上化学键数目n相当大，各化学键之间自由连接每个键在任何方向取向的概率相等，不受键角的限制和位垒的障碍，内旋转完全自由，且分子量不占有体积自由旋转链：假定化学键在键角上的旋转是完全自由的，即每个单键可以在以键角的补角为半锥顶角的锥面上自由旋转，这种分子链模型即为自由旋转链模型等效自由连接链：将若干个相互连接的σ键合并成链段，视其为相对独立的单元，由于链段之间自由连接，高分子链可以视为以链段为统计单元的自由连接链，该模型为等效自由连接链模型Kuhn等效链段：等效自由连接链的等效结构单元是链段，也称为Kuhn等效链段Gauss链：链段数足够多，符合无规行走模型的要求，那么以链段为统计单元的分子链的构象也符合Gauss分布，称为Gauss链模型Flory特征比：定义为无扰均方末端距与自由链模型计算的均方末端距之比值凝聚态结构：在不同外部条件下，高分子链可能以无规线团构象堆砌，也可能排列整齐呈伸展链，折叠链，及螺旋链等构象，形成不同的有序晶相结构分子间作用力：主价键完全饱和的原子，仍有吸引其他分子中饱和原子的能力，这种作用力称为分子间作用力范德华力：分子间静电相互作用，主要指分子间静电引力，称为范德华力氢键：本质是氢原子参与形成的一种相当弱的化学键憎水相互作用：高分子链结构中的各类基团，可分为亲水基团和疏水基团，表面活性剂溶于水中，由于该作用，按浓度不同聚集成胶束，单层膜，双层膜，微泡体等结构内聚能密度：把一摩尔液体或固体的分子分离到分子引力范围以外所需要的能量，用于度量分子间作用力晶胞参数：分为三个边长参数和三个夹角参数，根据参数不同分为七大晶系等同周期：分子链排列时以相同结构单元重复出现的周期长度单晶：高分子链以折叠方式形成的晶片球晶：聚合物在无应力状态下从溶液或熔体结晶得到的一种最为普遍的结晶形态折叠链晶片：在一般温度场中结晶，分子链多沿晶片厚度方向反复折叠排列，形成折叠链晶片伸展链晶片：在强应力场中结晶，分子链易于沿应力方向伸展排列形成伸展链晶片纤维状晶：既有伸展链晶体又有折叠链片晶串晶：以纤维晶为结晶中心，在其周围生长出许多折叠链晶片，与纤维晶一起构成串状结构结晶度：晶区部分在聚合物总量中所占的质量分数或体积分数结晶速率：表征结晶的快慢异相成核：依靠外来杂质或加入的成核剂，或容器壁作为晶体的生长点均相成核：由热运动形成分子链局部有序，生成有一定体积而热力学稳定的晶核，晶核的化学组成与后生长的晶体相同熔点：结晶聚合物的熔点一般指晶体完全融化时的温度熔限：结晶聚合物的熔化温度范围无规线团：在非晶聚合物中，高分子链为柔性链，大量分子链以无规线团状互相穿插，缠结在一起，无局部有序结构，分子链间存在空隙，称为无规线团模型无定形态：以非晶态或非晶态占绝对优势的聚合物称为无定型聚合物取向度：材料的取向程度单轴取向：指材料只沿一个方向拉伸，分子链或链段沿拉伸方向排列双轴取向：指材料沿两个互相垂直的方向拉伸，分子链或链段处于与拉伸平面平行排列的状态，但平面内结构单元的排列可能是无序的液晶：介于液态和晶态之间的中介状态热致性液晶：由于温度导致分子运动能力变化，在液固相变过程中形成的中间态熔致性液晶：由于有机分子溶液浓度变化，在憎水作用下，形成的有机分子溶质有序排列机构织态结构：多相高分子材料由于成分复杂，凝聚态也相对复杂，这类凝聚态结构称为织态结构高分子共混物：两种或两种以上高分子材料的物理混合物填充改性高分子材料：通过填充使材料获得新的功能及性质，提高其性价比软物质：包括液晶材料，高分子材料，两亲分子，生物有机材料和胶体等多尺度性：从空间尺度的角度去理解即为多层次性运动单元的多重性：高分子材料具有多层次，多类型的复杂结构，决定着其分子运动单元和运动模式也是多层次，多类型的形变-温度曲线：在一定载荷和恒速升温条件下式样形变与温度的关系力学状态：材料力学性能规定的物质存在状态玻璃态：温度低，分子热运动能量低，分子链及链段的运动均处于冻结状态，弹性模量高，形变小，外力撤去后形变立即恢复高弹态：温度升高，热运动加剧，链段具有充分运动能力，模量小，形变大外力撤去后形变可恢复粘流态：自由体积进一步增大，链段协同运动加剧，在外力作用下分子链质心发生相对位移的运动占优势，具有明显的粘性流动特征，材料呈熔体状玻璃化转变：由玻璃态转变为高弹态，自由体积增大，链段运动解冻黏流转变：由高弹态转变为粘流态，链段可沿外力方向协同运动，分子链解缠结，分子质心发生相对位移分解温度：分解温度指处于粘流态的聚合物当温度进一步升高时，便会使分子链的降解加剧，升至使聚合物分子链明显降解时的温度为分解温度脆化温度：以具有一定能量的冲锤冲击试样时，当试样开裂几率达到50%时的温度称脆化温度自由体积：分子尺寸的空穴和堆砌形成的空隙分子占有体积：单个原子的振动体积，由原子的范德华半径和与原子振动有关的体积确定等自由体积理论：对不同高分子材料而言，发生玻璃化转变时自由体积分数的临界值基本相等，高分子材料的玻璃态为等自由体积状态自由体积膨胀系数：玻璃化转变温度前后玻璃态和高弹态聚合物的膨胀系数之差松弛过程：物质状态的时间演变过程松弛时间：松弛过程所用时间玻璃化转变的多维性：恒温下改变其他条件，如改变各向同性压力，外力作用频率等也能改变链段运动状态，引发玻璃化转变主转变：玻璃化转变，高分子结晶或熔融等涉及链段运动状态的改变次级转变：在温度，频率等外界条件变化时尺寸小于链段的小结构单元的运动也存在冻结或释放的状态变化，影响材料的性质拉伸应力：物体在被拉伸时产生的应力剪切应力：物体由于外因而变形时，在它内部任一截面的两方出现的相互作用力拉伸应变：物体在拉伸力作用下的形变剪切应变：物体在变形时截面上的形变模量：应力与应变的比例系数柔量：模量的倒数杨氏模量：拉伸时的应力与应变之比剪切模量：发生剪切应变时的应力与应变之比普弹性：小分子材料的弹性形变能力高弹性：高分子材料的弹性形变能力高弹形变：高分子材料在外力下发生的形变网链：在交联橡胶和处于高弹态的高分子材料内部，分子链之间存在着化学的和物理的交联点，使所有分子链构成一个大网络应变诱导结晶：在大拉伸比下产生诱导结晶，结晶度增大线性粘弹性：符合胡克定律的线性弹性和符合牛顿粘性定律的线性粘性的组合非线性粘弹性：不符合胡克定律的线性弹性和符合牛顿粘性定律的线性粘性的组合应力松弛：在恒温状态下拉伸，保持应变恒定，测试样内应力随时间增长逐渐降低松弛模量：应力松弛时应力与应变之比蠕变：蠕变是指在一定温度和恒定外力作用下,材料的形变随时间增大而逐渐增大的现象蠕变柔量：发生蠕变时形变与应力之比滞后现象：对一般粘弹性材料，应变比应力落后滞后角：滞后现象中应力与应变的相位差储能模量：粘弹性材料复数模量的实部，描述应力应变同位相的弹性形变损耗模量：粘弹性材料复数模量的虚部，描述应变落后应力π/2的粘性应变复数模量：应力与应变之比力学损耗：一个拉伸回缩周期中，单位体积材料所损耗的机械功损耗正切：储能模量与损耗模量之比Mexwell模型：由一个胡克弹簧和一个装有牛顿液体的黏壶串联组成，测量应力松弛Kelvin模型：由一个胡克弹簧和一个装有牛顿液体的黏壶并联组成，测蠕变四原件模型：由弹簧，Kelvin模型，黏壶串联而成，测未交联聚合物的实际蠕变情况广义Mexwell模型：将若干个具有不同松弛时间的Mexwell模型并联广义Kelvin模型：将若干个具有不同推迟时间的Kelvin模型串联松弛时间谱：不同松弛时间Ti的集合等温时效原理：对高分子材料的力学状态转变及力学松弛性能而言，外力作用时间和环境影响有等效作用Boltzmann叠加原理：对时间序列中一系列阶跃式应变或应力的输入，体系在即时t的应力或应变响应可以表示为不同时刻的一系列个别相应的线性叠加破坏：指材料在使用，储存状态下变形，破裂，疲劳乃至失去效用断裂：指外力作用下本体开裂成两个或多个碎片产生新表面疲劳：指长时间动态加载条件下发生的失效屈服：外力作用下，材料发生不可逆形变工程应力：拉力F除以式样原始截面积A真应力：式样拉伸过程中产生的真实应力拉伸强度：应力应变曲线到达断裂点时所受的应力断裂伸长率：应力应变曲线到达断裂点时发生的应变屈服强度：应力应变曲线到达极大值点时对应的应力屈服应变：应力应变曲线到达极大值点时对应的应变应变软化：越过屈服点后式样的应力略有下降细颈：发生应变软化时试样上某一局部会出现颈缩现象断裂能：拉伸试样直至断裂单位体积所消耗的能量脆韧转变温度：拉伸断裂强度和屈服强度两曲线交点对应的温度剪切屈服：试样在拉伸时出现颈缩现象，颈缩处出现45度的剪切屈服带拉伸屈服：在外力作用下，材料内部垂直于外力作用方向出现的微结构的撕裂，挣脱，位移，消耗形变能强迫高弹形变：在软玻璃态发生的大形变称为非晶聚合物的强迫高弹形变冷拉：结晶聚合物发生的强迫高弹变形应变硬化：冷拉伸结束后，再继续拉伸，应力将上升脆性断裂：断裂伸长率很小，拉应力作用下未发生屈服即断裂韧性断裂：断裂伸长率较大，拉应力作用下先发生屈服，而后在更大断裂伸长率下再发生断裂应力集中效应：缺陷的存在影响了材料内部应力分布的均匀性，应力会集中于细微裂纹的尖端理论强度：所有分子链单向有序排列，沿主链方向同时均匀受力，同时被拉断，这样求得的强度为理论强度实际强度：拉伸外力先克服次价键，使局部分子链滑脱，取向，伸直，再克服主价键，拉断分子链增强：使用化学法或物理方法提高材料的力学强度或其它性能临界弹性能释放速率：材料断裂韧性的一种度量抗冲击强度：标准式样在高速冲击作用下发生断裂时，单位断面面积所消耗的能量银纹：聚合物在张应力作用下，于某种材料某些薄弱部位出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，光线照射下呈现银白色光泽裂纹：材料在应力或环境（或两者同时）作用下产生的裂隙剪切屈服带：材料内部具有高度剪切应变的薄层，在应力作用下材料内部局部区域产生应变软化形成的环境应力开裂：指在外力与环境气氛共同作用下材料内部出现银纹，裂缝，空隙以至于性能下降而失效增韧：聚合物的增韧就是把聚合物的断裂方式由脆性断裂转变为韧性断裂溶胀：溶剂小分子渗透，扩散到高分子中间，削弱大分子间相互作用力，使体积膨胀溶解：大多数线型或支化高分子材料置于适当溶剂中并给予适当条件，就可溶解而成为高分子溶液溶胀比：溶胀后与溶胀前的体积之比溶胀平衡：当溶剂的渗入，膨胀作用与交联网的弹性回缩作用相等时，达到溶胀平衡内聚能密度：摩尔内聚能与摩尔体积之比溶解度参数：内聚能密度的平方根溶剂化作用：广义酸和碱相互作用产生溶剂化，使聚合物溶解理想溶液：溶液中各分子之间的相互作用能相等，溶解时无体积变化，与外界无热量交换无热溶液：溶解时与外界无热量交换Flory-Huuggins参数X12：高分子-溶剂相互作用参数，相当于把一个溶剂分子放到高分子体系中引起的能量变化偏摩尔自由能：在一定的温度压力和浓度下，向溶液中再加入1mol溶剂或溶质，体系中自由能的改变溶剂的稀释自由能：溶剂在溶液中的化学势与纯溶剂化学势的差值超额化学势：高分子溶液与理想溶液相比多出的化学势θ状态：某种条件下高分子溶液满足理想溶液的条件，称该状态为θ状态θ温度：θ状态时的温度θ溶剂：θ状态时的溶剂排除体积：高分子或链段在溶液中可有效地排除所有其他高分子或链段的体积数均分子量：按各级分分子的数量分数求平均重均分子量：按各级分分子的质量分数求平均粘均分子量：用粘度法测得的聚合物的分子量渗透压：用半透膜把溶剂与溶液隔开时发生渗透现象，到达平衡时半透膜两侧溶液产生的压力差第二virial系数：表征高分子稀溶液性质，判断溶剂优劣流变性：高分子液体流动时不同程度的发生弹性形变和弹性恢复，出现如挤出胀大，熔体破裂，法向应力差等弹性效应，称为流变性。

高分子物理课程电子教案第一章：高分子物理概述1.1 高分子的定义与分类1.2 高分子的基本性质1.3 高分子材料的制备与加工1.4 高分子物理的研究内容与方法第二章：高分子链的结构与运动2.1 高分子链的结构模型2.2 高分子链的构象2.3 高分子链的布朗运动与扩散2.4 高分子链的相变与临界现象第三章：高分子溶液3.1 高分子溶液的制备与性质3.2 高分子溶液的流变行为3.3 高分子溶液的凝胶化现象3.4 高分子溶液的吸附与沉淀第四章：高分子凝聚态结构4.1 高分子凝聚态的基本特征4.2 高分子凝聚态的构象统计4.3 高分子凝聚态的相变与有序化4.4 高分子凝聚态的微观结构分析方法第五章：高分子材料的性能与应用5.2 高分子材料的热性能5.3 高分子材料的光学性能5.4 高分子材料的应用领域第六章：高分子材料的电学性能6.1 高分子材料的导电性6.2 高分子材料的绝缘性6.3 高分子材料的介电性能6.4 高分子材料在电化学应用中的应用第七章：高分子材料的光学性能7.1 高分子材料的光吸收与发射7.2 高分子材料的光散射与折射7.3 高分子材料的光开关与光存储7.4 高分子材料在光电子学中的应用第八章：高分子材料的热性能8.1 高分子材料的热稳定性8.2 高分子材料的熔融与玻璃化转变8.3 高分子材料的导热性8.4 高分子材料在热控应用中的应用第九章：高分子材料的力学性能9.1 高分子材料的弹性与塑性9.2 高分子材料的强度与韧性9.4 高分子材料在力学应用中的应用第十章：高分子材料的环境与可持续性10.1 高分子材料的环境影响10.2 高分子材料的生物降解与可再生性10.3 高分子材料的环境友好性设计10.4 高分子材料的可持续性发展前景第十一章：高分子材料的现代分析技术11.1 核磁共振谱（NMR）11.2 凝胶渗透色谱（GPC）11.3 差示扫描量热法（DSC）11.4 扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）第十二章：高分子材料的界面与相互作用12.1 高分子与高分子之间的相互作用12.2 高分子与溶剂之间的相互作用12.3 高分子材料界面性质的调控12.4 界面现象在高分子材料中的应用第十三章：高分子材料的功能化与复合化13.1 高分子材料的功能化途径13.2 功能高分子材料的设计与合成13.3 高分子复合材料的制备与性能13.4 功能化高分子复合材料的应用第十四章：生物高分子与生物医用高分子14.1 生物高分子概述14.2 蛋白质与核酸的生物高分子特性14.3 生物医用高分子材料的应用14.4 生物可降解高分子材料的研究与发展第十五章：高分子物理课程总结与展望15.1 高分子物理课程的主要内容回顾15.2 高分子物理领域的前沿动态15.3 高分子材料在未来的发展趋势15.4 学生自主研究项目的设计与实践重点和难点解析第一章：高分子物理概述重点：高分子概念、分类及基本性质。

cos ϕ =
∫
i
2π
0
N (ϕ ) cos ϕdϕ
2π 0 i
∫
i
N (ϕ )dϕ
=
∫
2π
0
∑ N cos ϕ = ∑N
i i
U (ϕ ) ) cos ϕdϕ RT 2π U (ϕ ) ∫0 exp(− RT )dϕ exp(−
(i = 1 ~ 4) = 0.4521
（2）以知键角θ=112°，cosθ=-0.3746
h∗ =
⑵
1
β
=
o 2 N l = 398( Α) 3
由ω (h)dh = (
o
β
Π
) 3 exp(− β 2 h 2 )4Πh 2 dh，得
o
ω (±10 Α) = 3.5 ×10 −6 ( Α) −1 ω (±100 Α) = 3.37 ×10− 4 ( Α) −1
即在±100Å处的几率比在±10Å处的几率大。 6 某碳碳聚α-烯烃，平均分子量为1000M。 （M。为链节分子量） ，试计算： ⑴完全伸直时大分子链的理论长度； ⑵若为全反式构象时链的长度； ⑶看作Gauss链时的均方末端距； ⑷看作自由旋转链时的均方末端距； ⑸当内旋转受阻时（受阻函数 cos ϕ = 0.438 ）的均方末端距； ⑹说明为什么高分子链在自然状态下总是卷曲的，并指出此种聚合物的弹性限度。 解：设此高分子链为：
CH2
CH
Cl
）和偏氯乙烯（
CH2
CCl2
）的共聚物，经脱除HCl和裂解后，产物有：
CH
CH2 CH CH2 (裂裂) H3C H3C CH2 H3C
+ CH CH2
H3C
C CH2