高分子材料的力学特征

高分子材料力学性能姓名：程小林学号：5701109004 班级：高分子091 学院：材料学院研究背景：在世界范围内, 高分子材料的制品属於最年轻的材料．它不仅遍及各个工业领域, 而且已进入所有的家庭, 其产量已有超过金属材料的趋势，將是2 1世纪最活跃的材料支柱.高分子材料在我们身边随处可见。

在我们的认识中，高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。

高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料。

今天，我想就高分子材料为主线，简单研究一下高分子材料所具有的一些方面的力学性能。

从我们以前学过的化学知识中可以知道，高分子材料其实是有机化合物, 有机化合物是碳元素的化合物．除碳原子外, 其他元素主要是氢、氧、氮等．碳原子与碳原子之间, 碳原子与其他元素的原子之间, 能形成稳定的结构．碳原子是四价, 每个一价的价键可以和一个氢原子键连接, 所以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物．有机化合物的总数已接近千万种, 远远超过其他元素的化合物的总和, 而且新的有机化合物还不断地被合成出來．這样, 由於不同的特殊结构的形成, 使有机化合物具有很独特的功能．高分子中可以把某些有机物结构（又称为功能团）替换, 以改变高分子的特性．高分子具有巨大的分子量，达到至少1 万以上，或几百万至千万以上所以, 人們將其称为高分子、大分子或高聚物．高分子材料包括三大合成材料, 即塑料、合成纤维和合成橡胶研究理论：高分子材料的使用性能包括物理、化学、力学等性能。

对于用于工程中作为构件和零件的结构高分子材料，人们最关心的是它的力学性能。

力学性能也称为机械性能。

任何材料受力后都要产生变形，变形到一定程度即发生断裂。

这种在外载作用下材料所表现的变形与断裂的行为叫力学行为，它是由材料内部的物质结构决定的，是材料固有的属性。

同时, 环境如温度、介质和加载速率对于高分子材料的力学行为有很大的影响。

因此高分子材料的力学行为是外加载荷与环境因素共同作用的结果。

高分子材料的形貌和力学性能的关系研究高分子材料是一类非常有用的工业材料，它们的应用范围十分广泛，包括但不限于塑料、橡胶、纤维等。

在高分子材料的设计和开发中，形貌和力学性能是两个十分重要的方面。

形貌决定了材料的组成和结构，而力学性能则决定了材料的使用情况和耐久度。

在本文中，我们将探讨高分子材料的形貌和力学性能之间的关系，并分析这种关系对材料工程的影响。

一、高分子材料的形貌高分子材料的形貌指的是其表面形态和内部形态。

表面形态包括材料的粗细、光滑度、颜色等；内部形态则包括材料的晶体结构、分子链结构、孔隙率等。

高分子材料的不同形貌决定了它们的物理性质，这些性质对于高分子材料的特定应用是必须了解的。

例如，聚合物熔体的表面形态和内部形态决定了它们的流动性和凝固性。

又如，高分子材料的玻璃化转变温度（即所谓TG）可以通过形貌的变化来决定，这对于材料的使用和处理有着关键的作用。

此外，高分子材料的形貌还可以影响它们的性能。

例如，一些聚合物材料在不同的形貌下会表现出不同的强度和韧性。

二、高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能通常被分为强度、韧性、硬度和弹性模量等。

这些性能对于高分子材料的特定应用至关重要。

强度和韧性的变化决定了材料的耐久性和安全性；硬度和弹性模量则决定了材料的刚度和弹性回复情况。

很多高分子材料的力学性能是由聚合物分子链的长度和相互作用力决定的。

分子链的长度和相互作用力可以通过其结构和化学组成来控制和调整。

例如，随着分子链的增长和交联的形成，强度和硬度会增加，但韧性会降低。

此外，热处理或机械压缩等工艺也可以影响高分子材料的力学性能。

三、高分子材料的形貌与力学性能之间的关系高分子材料的形貌和力学性能之间存在密切的关系。

对于许多高分子材料来说，形貌可以影响它们的力学性能。

这是由于形貌与材料的结构、分子链长度、相互作用力等紧密相关。

例如，粗糙的表面会影响高分子材料的摩擦力，细微的裂缝和孔隙会影响其强度和韧性。

高分子材料的结构与力学性能研究高分子材料是一类重要的工程材料，具有广泛的应用领域。

它们的性能很大程度上取决于其结构与力学性能之间的关系。

因此，对高分子材料的结构与力学性能进行深入研究是十分必要的。

一、高分子材料的结构高分子材料的结构是指其中分子的组成和排列方式。

其主要由聚合物链的排列方式、分子量分布以及分子内外力结构等因素决定。

首先，聚合物链的排列方式对高分子材料的性能有显著影响。

一种常见的排列方式是线性结构，即聚合物链呈直线排列。

这种结构能够使高分子材料更加柔软、可拉伸，并具有较高的延展性。

相反，如果聚合物链呈无规则状或高度交织状排列，则高分子材料的强度和硬度会明显提升。

其次，分子量分布也是高分子结构的重要方面。

分子量分布越广，高分子材料的性能越稳定。

这是因为分子量越大，高分子材料的强度和硬度越高。

然而，如果分子量分布过窄，容易导致性能不均匀，从而影响材料的应用。

最后，分子内外力结构对高分子材料的结构和性能同样起着关键作用。

分子内的键长、键角和二面角等结构参数决定了高分子材料的刚性和柔软性。

而分子之间的力结构包括范德华力、静电力和氢键等，可以影响材料的粘合性和熔融性。

二、高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能包括强度、硬度、韧性以及流变性等方面。

这些性能与材料的结构密切相关。

首先，强度是衡量材料抵抗外力破坏能力的重要指标。

高分子材料的强度主要取决于其内部的结构以及分子内外的各种力作用。

一般来说，高分子材料强度较低，但具有较好的拉伸性能和延展性。

其次，硬度是衡量材料抵抗表面刮擦、磨损和压缩的能力。

高分子材料的硬度主要由分子链的排列方式和分子量分布来决定。

线性排列和较窄的分子量分布会导致高分子材料较好的硬度。

韧性是衡量材料断裂前出现塑性变形的能力。

高分子材料的韧性与其延展性有关，而延展性又与聚合物链的排列方式和分子结构有关。

流变性是指高分子材料在外力作用下的变形行为。

它与材料的粘弹性和塑性变形有关。

Thedevelopmentof materialsover time.The materialsof pre-history, onthe left,all occurnaturally;the challengefor theengineers ofthat era wasone ofshaping them.Thedevelopmentofthermochemist 11121314 1516 17在小伸长时，拉伸应变通常以单位长度的伸长来定义。

应变：。

：为材料的起始截面积。

当材料发生较大形变时，上式计算的应力与材料的真实应力会发生较大的偏差，这时正确计算应力应该以真实截面积真应力：相应地可提出真应变的定义，如果材料在某一时刻长度从+dl i，则真应变为:真应变：对于理想的弹性团体，应力与应变关系服从虎克定律，25简单拉伸时的杨氏模量：在简单剪切的情况下，材料受到的力F 是与截面相平行的大小相等、方向相反的两个力。

在这剪切力作用下，材料将发生偏斜，偏斜角的正切定义为切应变。

当切应变足够小时，。

相应地，材料的剪切应力为：剪切模量：θγ≈切应变：剪切位移S ，剪切角θ，剪切面间距d体积模量：必须注意的是，试样宽度和厚度在拉伸过程中是随试样的伸长屈服强度断裂强度Polymers with different properties增强途径增强机理：活性粒子吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子起物理交联点的作用。

惰性填料怎么办？例：PVC+CaCO，PP+滑石粉glassy fiber+polyester增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷。

Carbon fiber弯曲模量：增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微纤结构而到增强作用。

由于微纤结构是加工过程中由液晶棒状分子在共混无物基体中就地形成的，故称做“原位”复合增强。

Charpy试验IZOD试验40补充材料：聚合物的韧性与增韧-----冲击强度Impact strength——是衡量材料韧性的一种指标高速拉伸试验测量材料冲击强度的依据。

高分子材料的蠕变和松弛行为高分子材料具有大分子链结构和特有的热运动，决定了它具有与低分子材料不同的物理性态。

高分子材料的力学行为最大特点是它具有高弹性和粘弹性。

在外力和能量作用下，比金属材料更为强烈地受到温度和时间等因素的影响，其力学性能变化幅度较大。

高聚物受力产生的变形是通过调整内部分子构象实现的。

由于分子链构象的改变需要时间，因而受力后除普弹性变形外，高聚物的变形强烈地与时间相关，表现为应变落后于应力。

除瞬间的普弹性变形外，高聚物还有慢性的粘性流变，通常称之为粘弹性。

高聚物的粘弹性又可分为静态粘弹性和动态粘弹性两类。

静态粘弹性指蠕变和松弛现象。

与大多数金属材料不同，高聚物在室温下已有明显的蠕变和松弛现象。

本文章主要介绍高聚物的蠕变和应力松弛现象产生的原因、过程，应用以及如何避免其带来的损害。

1 高分子材料蠕变高分子材料的蠕变即在一定温度和较小的恒定外力（拉力、压力或扭力等）作用下、高分子材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。

1.1 蠕变过程及原理图1-1就是描写这一过程的蠕变曲线，t 1是加荷时间，t 2是释荷时间。

从分子运动和变化的角度来看，蠕变过程包括下面三种形变：当高分子材料受到外力（σ）作用时，分子链内部键长和键角立刻发生变化，这种形变量是很小的，称为普弹形变（1ε）。

当分子链通过链段运动逐渐伸展发生的形变，称为高弹形变（2ε）。

如果分子间没有化学交联，线形高分子间会发生相对滑移，称为粘性流动（3ε）。

这种流动与材料的本体粘度（3η）有关。

在玻璃化温度以下链段运动的松弛时间很长，分子之间的内摩擦阻力很大，主要发生普弹形变。

在玻璃化温度以上，主要发生普弹形变和高弹形变。

当温度升高到材料的粘流温度以上，这三种形变都比较显著。

由于粘性流动是不能回复的，因此对于线形高聚物来说，当外力除去后会留下一部分不能回复的形变，称为永久形变。

图1-1 蠕变曲线图1-2 线型高聚物的蠕变曲线图1-2是线型高聚物在玻璃化温度以上的蠕变曲线和回复曲线，曲线图上标出了各部分形变的情况。

高分子材料的力学特性分析高分子材料是一种很特殊的材料，它具有很高的分子量和相对分子质量，分子之间连接着共价键或者氢键，因此它具有很特殊的力学特性。

高分子材料在很多领域得到广泛应用，比如医学、食品、化学工程、电子、建筑、纺织等。

本文将对高分子材料的力学特性进行分析，帮助读者更好地了解这种材料，并且更好地应用它。

1. 高分子材料的物理结构高分子材料是由分子体系组成的宏观体系。

在这个宏观体系中，高分子材料的物理结构非常重要。

高分子材料的物理结构由分子之间的键和链构成。

分子间的键可以分为两种：共价键和氢键。

共价键是通过原子之间的原子轨道重叠形成的键，它们通常是非极性的，但是有些共价键还包含极性成分。

氢键是通过氢原子与另外一个原子之间形成的键，它们通常是极性的。

高分子材料的物理结构还包括它的分子链结构。

分子链的结构决定了高分子材料的形态和性能。

分子链结构主要分为线性、支化、交联等几种类型。

线性结构的高分子材料是由一个单独的长链构成。

支化结构是由以一主链为中心，同时连接着若干支链的高分子材料。

交联结构是由大量的分子链相交织形成的高分子材料。

2. 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能主要包括弹性、塑性、黏弹性和粘性等方面。

弹性是指高分子材料在外部受力下产生的形变，一旦外力消失，高分子材料可以恢复原有形状和大小的能力。

塑性是指高分子材料在外部受力后发生的形变，外力撤离后无法恢复原有形状和大小的性质。

黏弹性是指高分子材料在外部受力下，受力速度不同时形变的特性不同。

在低速下，高分子材料是弹性体；在高速下，高分子材料表现出粘性特性。

粘性是指高分子材料在外部受到剪切力时会发生形变，形变速度逐渐增加，形状和大小逐渐稳定的性质。

3. 高分子材料的测试方法高分子材料的力学特性是通过测试来获取的。

有许多不同的测试方法可以用来测试高分子材料的力学特性。

其中最常用的测试方法有拉伸测试、弯曲测试和压缩测试。

拉伸测试用来测试高分子材料的弹性和塑性特性，可以通过测定高分子材料在拉伸状态下产生的应力和应变来测定高分子材料的弹性模量。

高分子材料的动态力学性能分析在现代材料科学的领域中，高分子材料以其独特的性能和广泛的应用成为了研究的重点之一。

而高分子材料的动态力学性能更是其中一个关键的方面，对于深入理解和优化其在各种实际场景中的应用具有重要意义。

首先，我们来了解一下什么是高分子材料的动态力学性能。

简单来说，就是指高分子材料在动态载荷（如振动、冲击等）作用下表现出的力学行为和特性。

这种性能反映了材料在不同频率和温度条件下对能量的吸收、储存和释放能力。

高分子材料的动态力学性能通常通过动态力学分析（DMA）技术来进行研究。

在这个过程中，会施加一个周期性的应变或应力，然后测量材料的响应，从而得到诸如储能模量、损耗模量和损耗因子等重要参数。

储能模量代表了材料储存弹性变形能量的能力，它反映了材料的刚度。

损耗模量则反映了材料在变形过程中能量的损耗，与材料的粘性相关。

而损耗因子则是损耗模量与储能模量的比值，能够很好地反映材料的阻尼特性。

温度对高分子材料的动态力学性能有着显著的影响。

随着温度的升高，高分子材料会经历从玻璃态到高弹态再到粘流态的转变。

在玻璃态下，分子链的运动被冻结，材料表现出较高的模量和较低的阻尼。

当温度升高到玻璃化转变温度（Tg）时，分子链开始获得一定的运动能力，模量急剧下降，阻尼迅速增大。

继续升温进入高弹态，材料的弹性和粘性并存。

而当温度进一步升高到粘流温度以上时，材料变为可流动的粘性液体。

频率也是影响高分子材料动态力学性能的一个重要因素。

在低频下，分子链有足够的时间响应外力，材料表现出更多的粘性特征；而在高频下，分子链来不及响应，材料表现出更多的弹性特征。

高分子材料的结构和组成对其动态力学性能有着决定性的影响。

分子链的长度、分子量分布、支化程度以及交联结构等都会改变材料的动态力学性能。

例如，分子量较大且分布较窄的高分子材料通常具有更高的模量和更好的力学性能。

交联结构可以增加材料的刚度和耐热性，但可能会降低其韧性。

不同类型的高分子材料具有不同的动态力学性能特点。