第十一章 聚合物的力学性能

实验7 聚合物动态力学性能的测定聚合物材料，如塑料、橡胶、纤维及其复合材料等都具有粘弹性，用动态力学的方法研究聚合物材料的粘弹性，已证明是一种非常有效的方法。

材料的动态力学行为是指材料在振动条件下，即在交变应力（或交变应变）作用下作出的力学响应。

测定材料在一定温度范围内的动态力学性能的变化即为动态力学分析（dynamic mechanical thermal analysis, DMTA ）一、二、实验目的了解动态力学分析的测量原理及仪器结构。

了解影响动态力学分析实验结果的因素，正确选择实验条件。

掌握动态力学分析的试样制备及测试步骤。

掌握动态力学分析在聚合物分析中的应用。

实验原理聚合物的粘弹性是指聚合物既有粘性又有弹性的性质，实质是聚合物的力学松弛行为。

研究聚合物的粘弹性常采用正弦的交变应力，使试样产生的应变也以正弦方式随时间变化。

这种周期性的外力引起试样周期性的形变，其中一部分所做功以位能形式贮存在试样中，没有损耗，而另一部分所做功，在形变时以热的形式消耗掉。

应变始终落后应力一个相位，以拉伸为例，当试样受到交变的拉伸应力作用时，其交变应力和应变随时间的变化关系如下： 应力 )sin(0δϖσσ+=t (7-1))900(0<<δ应变t ϖεεsin 0= (7-2) 式中0σ和0ε为应力和形变的振幅；ω是角频率；δ是应变相位角。

式（7-1）和式（7-2）说明应力变化要比应变领先一个相位差δ，见图7.1。

图7.1 应力应变和时间的关系将式（7-1）展开为：δϖσδωσσsin cos cos sin 00t t += (7-3)即认为应力由两部分组成，一部分)cos sin (δϖσt 与应变同相位，另一部分)sin cos (0δϖσt 与应变相差2/π。

根据模量的定义可以得到两种不同意义的模量，定义'E 为同相位的应力和应变的比值，而''E 为相位差2/π的应力和应变的振幅的比值，即t E t E ϖεωεσcos ''sin '00+= （7-4）此时模量是一个复数，叫复数模量*E 。

●相对分子质量及分布对强度的影响
规律：强度随相对分子质量的增大而增加，分布宽窄影响不大，但低聚物部分增加时，因低分子部分发生分子间断裂而使强度下降。

●低分子掺合物对强度的影响
规律：低分子物质的加入降低强度。

▓实例增塑剂的加入能降低强度，但对脆性高聚物而言，少量加入低分子物质，能增加强度。

●交联对强度的影响
规律：适度交联增加强度，但过度交联，在受外力时，会使应力集中而降低强度。

▓实例橡胶的适度交联。

●结晶对强度的影响
规律：结晶度增大，强度增加，但材料变硬而脆；大球晶增加断裂伸长率，小球晶增加韧性、强度、模量等；纤维状晶体强度大于折叠晶体强度。

▓实例缓慢降温有利形成大球晶，淬火有利形成小球晶。

●取向对强度的影响
规律：取向能增加取向方向上材料的强度。

§5高聚物的力学性能
特例：以橡胶为改性剂，提高高聚物材料抗冲击性能。

对橡胶的要求：玻璃化温度必须远低于使用温度；橡胶不溶于刚性高聚物而形成二相；两种高聚物溶解行为上相似，有利于相互黏着。

若三条件达不到，加入第三组分。

效果：原脆性高聚物的冲击强度提高5～10倍。

聚合物的力学性能名词解释聚合物是一种由单体通过化学反应连接而成的大分子化合物。

由于其独特的结构和性质，聚合物在各个领域中都有广泛的应用，包括塑料、纺织品、电子器件等。

聚合物的力学性能是衡量聚合物材料质量和可用性的关键指标之一。

本文将对聚合物力学性能中常见的名词进行解释。

1. 弹性模量弹性模量是衡量聚合物材料抵抗形变和恢复能力的指标。

当受到外力作用时，聚合物会发生形变，但在去除外力后能够恢复到原来的形态。

弹性模量越大，聚合物的恢复性能越好。

弹性模量可以用来评估材料的硬度和刚性。

2. 屈服强度屈服强度是指聚合物材料在拉伸过程中发生塑性变形的临界点。

在超过屈服强度之前，聚合物材料呈现出线性弹性变形。

当外力达到一定水平时，材料会突然发生非线性塑性变形，即超过了屈服强度。

屈服强度的高低反映了聚合物材料的抗拉性能。

3. 强度强度是衡量聚合物材料抵抗破坏和承受外部力的能力的指标。

通常以材料的最大承载能力来衡量。

强度高的材料具有更好的耐久性和抗破坏能力。

4. 断裂韧性断裂韧性是指聚合物材料在断裂前能吸收的能量。

它反映了材料的抗冲击和抗破坏能力。

聚合物材料如果具有高的断裂韧性，意味着它具有更好的抗冲击和破坏能力。

5. 耐磨性耐磨性是指聚合物材料抵抗磨损和磨损程度的能力。

耐磨性好的材料表面不容易磨损和磨损，能够更好地抵御摩擦和刮擦。

6. 硬度硬度是衡量材料抵抗外力侵蚀的能力。

在聚合物材料中，硬度与材料的结构、分子链长度以及交联程度有关。

硬度高的材料通常具有较好的抗刮擦和抗磨损能力。

7. 压缩性能压缩性能指材料在受到压缩作用时的变形性能。

聚合物材料的压缩性能包括压缩模量、压缩强度等指标。

良好的压缩性能意味着材料在承受压力时能保持稳定的形态和性能。

8. 拉伸性能拉伸性能是指聚合物材料在拉伸作用下的变形性能。

它包括拉伸模量、拉伸强度、延展性等指标。

拉伸性能的好坏直接影响材料的可塑性和可延展性。

9. 表观粘度表观粘度是指聚合物材料在流动过程中阻力的大小。

实验七 聚合物的动态力学性能1. 实验目的要求1.1 掌握使用DMA Q800型动态力学分析仪测定聚合物的复合模量、储能模量和损耗模量的原理及方法。

1.2 能够通过数据分析，了解聚合物的结构特性。

2. 实验原理当样品受到变化着的外力作用时，产生相应的应变。

在这种外力作用下，对样品的应力-应变关系随温度等条件的变化进行分析，即为动态力学分析。

动态力学分析是研究聚合物结构和性能的重要手段，它能得到聚合物的储能模量（E '），损耗模量（E ''）和力学损耗（tan δ），这些物理量是决定聚合物使用特性的重要参数。

同时，动态力学分析对聚合物分子运动状态的反映十分灵敏，考察模量和力学损耗随温度、频率以及其它条件的变化的特性可得聚合物结构和性能的许多信息，如阻尼特性、相结构及相转变、分子松弛过程、聚合反应动力学等等。

本实验采用DMA Q800型动态力学分析仪分析聚合物在一定频率下，动态力学性能随温度的变化。

如果在试样上加一个正弦应力σ，频率为ω，振幅为0σ，则应变ε也可以以正弦方式改变，应力与应变之间有一相位差δ，可分别表示为：0sin t εεω=0sin()t σσωδ=+式中0σ和0ε分别为应力和应变的幅值，将应力表达式展开：00cos sin()sin cos t t σσδωδσδω=++应力波可分解为两部分，一部分与应力同相位，峰值为0cos σδ，与储存的弹性能有关，另一部分与应变有90°的相位差，峰值为0sin σδ，与能量的损耗有关。

定义储能模量（E '），损耗模量（E ''）和力学损耗（tan δ）：00(/)cos E σεδ'= 00(/)sin E σεδ''=sin tan cos E E δδδ''=='复数模量可表示为：*E E iE '''=+其绝对值为：E =在交变应力作用下，样品在每一周期内所损耗的机械能可通过下式计算：320()()W t d t E φεσπε''∆==∆与E''成正比，因此，样品损耗机械能的能力高低可以用E''或tanδ值的大小来W衡量。

聚合物基复合材料的制备与力学性能评价在材料科学领域中，聚合物基复合材料是一种重要的材料类型，具有广泛的应用前景。

聚合物基复合材料是由增强相和基体相组成的，通过将增强相分散在基体相中，可以有效提高材料的力学性能。

本文将着重讨论聚合物基复合材料的制备方法以及力学性能评价。

1. 聚合物基复合材料的制备方法聚合物基复合材料的制备方法有多种，其中常见的方法包括浸渍法、熔融法和溶液法。

浸渍法是将增强相浸泡在聚合物基体中，并通过固化使其固定在基体中。

熔融法是将增强相和聚合物基体一起加热至熔融状态混合，并在冷却过程中形成复合材料。

溶液法则是将增强相分散在聚合物基体的溶液中，通过溶剂的蒸发使其固化成复合材料。

2. 聚合物基复合材料的力学性能评价力学性能评价是衡量聚合物基复合材料性能优劣的重要指标。

常见的力学性能评价包括拉伸性能、弯曲性能和静态力学性能等。

拉伸性能评价是通过拉伸试验来评估材料的抗拉强度和延伸性能。

抗拉强度是指材料在受拉力作用下的最大承载能力，而延伸性能则指材料在拉伸过程中的变形程度。

弯曲性能评价是通过弯曲试验来评估材料的抗弯强度和弯曲刚度。

抗弯强度是指材料在受弯力作用下的最大承载能力，而弯曲刚度则指材料对弯曲变形的抵抗能力。

静态力学性能评价是通过压缩试验、剪切试验等来评估材料的抗压强度、抗剪切强度等。

这些性能指标可以帮助判断材料在应力状态下的稳定性和可靠性。

此外，聚合物基复合材料的力学性能还可以通过动态力学性能评价来考察。

动态力学性能评价主要包括材料的动态力学力学性能和疲劳性能等。

动态力学性能是指材料在动态加载下的力学响应，疲劳性能则是指材料在长期受力作用下的耐久性能。

3. 聚合物基复合材料的应用前景聚合物基复合材料具有广泛的应用前景。

首先，在航空航天领域，聚合物基复合材料因其轻质高强的特性，成为替代传统金属材料的理想选择。

其次，聚合物基复合材料在汽车制造、船舶制造和建筑领域也有广泛应用。

其轻质高强的特点可以减轻结构负担，提高汽车、船舶和建筑的整体性能。

聚合物材料的力学性能第十章聚合物材料的力W性能§10-1聚合物材料的Yc性能特c分子品|大於1f以上的有C化合物Q楦叻肿硬牧希是由S多小分子聚合而成，故又Q榫酆衔锘蚋呔畚铩原子之g由共rIY合，Q橹rI；分子之g由范德瓦IB接，Q榇rI。

分子g次rI力之和h超^分子中原子g主rI的Y合力。

拉伸r常常先l生原子I的嗔选聚合物的小分子化合物Q误w，M成聚合物L的基本Y卧tQ殒。

聚合物L的重}的浚Q榫酆隙取天然的聚合物有木材、橡z、棉花、z、毛和角等。

人工合成聚合物有工程塑料、合成wS、合成橡z等一、聚合物的基本Y1、高分子的型（近程Y）由化WI所固定的缀涡睢―指高分子的化WM成、I接方式和立w型等。

D9―1。

(D9―2)。

L支、短支；型交分子、三S交分子。

由煞N以上Y误w聚合而成的聚合物Q楣簿畚铩聚合物的Y晶很y完全。

（共聚物的追N形式如D9―3。

）2、高分子的象（h端Y）一根巨分子L在空g的排布形象，Q榫薹肿渔的象。

otF、伸展、折B、螺旋等象(D9―5)。

3、聚合物聚集BY聚集BY包括晶BY、非晶BY及取向。

晶^c非晶^共存。

Y晶度＜98％，微晶尺寸在100A左右。

非晶BY的高分子多呈otF形B。

在外力作用下，聚合物的L沿外力方向排列的形BQ聚合物的取向。

4、高分子材料Y特徵w{：聚合物檠}合物（∵各巨分子的分子量不一定相同）⑴；聚合物有型、象的化；⑵分子之g可以有各N相互排列。

⑶二、性能特c(1)密度小；(2)高性；(3)性模量小（度差）；(4)粘性明@。

§10-2型非晶B聚合物的形型非晶B聚合物是指Y上o交、聚集BoY晶的高分子材料。

S囟炔煌而化，可於玻璃B、高B和粘流B三N力WB(D9―7) tb一脆化囟tg一玻璃化囟tf一粘流囟D9―8榉蔷B聚合物在不同囟认碌力一曲。

一、玻璃B下的形＜tb 聚合物於硬玻璃B，只有性形A段，且伸L率很小。

靠主IIL的微量伸s和微小的I角化F性形。

实验15 聚合物材料的动态力学性能测试在外力作用下，对样品的应变和应力关系随温度等条件的变化进行分析，即为动态力学分析。

动态力学分析能得到聚合物的动态模量( E′)、损耗模量(E″)和力学损耗(tanδ)。

这些物理量是决定聚合物使用特性的重要参数。

同时，动态力学分析对聚合物分子运动状态的反应也十分灵敏，考察模量和力学损耗随温度、频率以及其他条件的变化的特性可得到聚合物结构和性能的许多信息，如阻尼特性、相结构及相转变、分子松弛过程、聚合反应动力学等。

1. 实验目的（1）了解聚合物黏弹特性，学会从分子运动的角度来解释高聚物的动态力学行为。

（2）了解聚合物动态力学分析(DMA)原理和方法，学会使用动态力学分析仪测定多频率下聚合物动态力学温度谱。

2. 实验原理高聚物是黏弹性材料之一，具有黏性和弹性固体的特性。

它一方面像弹性材料具有贮存械能的特性，这种特性不消耗能量；另一方面，它又具有像非流体静应力状态下的黏液，会损耗能量而不能贮存能量。

当高分子材料形变时，一部分能量变成位能，一部分能量变成热而损耗。

能量的损耗可由力学阻尼或内摩擦生成的热得到证明。

材料的内耗是很重要的，它不仅是性能的标志，而且也是确定它在工业上的应用和使用环境的条件。

如果一个外应力作用于一个弹性体，产生的应变正比于应力，根据虎克定律，比例常数就是该固体的弹性模量。

形变时产生的能量由物体贮存起来，除去外力物体恢复原状，贮存的能量又释放出来。

如果所用应力是一个周期性变化的力，产生的应变与应力同位相，过程也没有能量损耗。

假如外应力作用于完全黏性的液体，液体产生永久形变，在这个过程中消耗的能量正比于液体的黏度，应变落后于应力90o，如图2-61(a)所示。

聚合物对外力的响应是弹性和黏性两者兼有，这种黏弹性是由于外应力与分子链间相互作用，而分子链又倾向于排列成最低能量的构象。

在周期性应力作用的情况下，这些分子重排跟不上应力变化，造成了应变落后于应力，而且使一部分能量损耗。