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高聚物的力学性能汇总

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第八章 高聚物的力学性能

第八章 高聚物的力学性能

晶态聚合物的应力-应变曲线
C N D
2 N-D段 细颈发展阶 段。伸长不断增加， 应力几乎不变。拉伸 应变值可达100%1000%，直到整个试 样变细。
第八章 高聚物的力学性能
ห้องสมุดไป่ตู้
第三节 聚合物的拉伸破坏行为
晶态聚合物的应力-应变曲线
C N D
3 D-C段 已被细颈化 的试样重新被均匀拉伸， 应力随应变增加，直到 断裂。
物质结构组成
a: 脆性材料 b: 半脆性材料 c: 韧性材料 d: 橡胶
酚醛或环氧树脂 PS, PMMA PP, PE, PC Nature rubber, PI
第八章 高聚物的力学性能
第三节 聚合物的拉伸破坏行为
各种情况下的应力-应变曲线
(d) Crystallization 结晶
应变软化更明显 冷拉时晶片的倾斜、 冷拉时晶片的倾斜、 滑移、转动， 滑移、转动，形成微 晶或微纤束
第八章 高聚物的力学性能
第二节 聚合物的应力应变特性
“软”和“硬”用于区分 软 “ 模量的低或高，“弱”和 “ “强”是指强度的大小， “脆”是指无屈服现象而 且断裂伸长很小，“韧” “ 是指其断裂伸长和断裂应 力都较高的情况，有时可
应力-应变曲线的类型和脆韧性 将断裂功作为“韧性”的
标志。
第八章 高聚物的力学性能
3 强而韧
弹性模量、屈服应力及断裂伸长率都很高，伸长率也 大，曲线下覆盖的面积也大。尼龙、PC、POM、醋酸 纤维属此类。
第八章 高聚物的力学性能
第二节 聚合物的应力应变特性
应力-应变曲线的类型和脆韧性
4 软而韧 弹性模量高，屈服应力低，断裂伸长大， 约20%—1000%，断裂强度高。软PVC及 硫化橡胶属此类。 5 软而弱 弹性模量低，断裂强度也低，断裂伸长中 等。高聚物的软凝胶、低相对分子质量聚 合物属此类。

第六章 高聚物的力学性能

第六章 高聚物的力学性能
▲高聚物的增塑作用（plasticization） 定义：能使高分子链的柔性或高聚物材料的可塑性增加的作用。 类型：内增塑、外增塑和自动增塑作用 ▲内增塑作用（internal piastization） 定义：通过改变高分子链的化学结构（即共聚）达到增塑目的的作用。 ▓实例 利用丁二烯链节的柔性，制备高抗冲聚苯乙烯。 ▲外增塑作用（external plasticization） 定义：在刚性高分子链中加入低分子液体或柔性聚合物达到增塑目的的作用。具有该 作用的物质称为增塑剂（plasticizer）。 原理：低分子物质黏度比高聚物黏度低1015倍，因此每加入20%，体系黏度降低1000 倍，并且玻璃化温度与黏流温度都降低。 增塑剂的使用对象 增塑剂加入量对柔性高聚物形变-温度曲线的 2 1 4 3 形 影响，1-未加增塑剂，2、3、4-为加入增塑剂，其 变 % 加入量是4＞3＞2。结果加后黏流温度比玻璃化温 度下降快，高弹区变窄，因此，一般不加。
Ae RT
▴τ-松弛时间； ▴A-常数； ▴μ-重排位能； ▴R-气体常数； ▴T-绝对温度。

化学工业出版社
§6-5 复合材料的力学性质
复合材料的制备方法
化学共聚制备方法
复合材料的制备方法 物理混合制备方法
增塑法 增强法 填充法 高聚物共混法
化学工业出版社
§6-5 复合材料的力学性质
一、高聚物的增塑作用

化学工业出版社
§6-2 等速拉伸及应力-应变曲线
▲可以作为形变较大的材料

△材料软而韧 低模量低屈服，断裂伸长率及强度大 典型实例：硫化橡胶、LDPE制品


△材料软而弱 低模量低强度，断裂伸长率中等
典型实例：未硫化天然橡胶

《高聚物的力学性能》课件

《高聚物的力学性能》课件
行业中的应用
轻量化、耐磨性和隔音 性等特性使高分子材料 在汽车中得到广泛使用。
高分子材料用于建筑材 料、涂料、胶粘剂和绝 缘材料等方面。
3 高分子材料在医疗
行业中的应用
高分子材料在医疗器械、 药物传递和组织工程等 领域具有广泛的应用。
六、发展趋势
高聚物力学性能的发展趋势包括：
1
纳米技术的应用
纳米技术使材料具有更好的力学性能
对高聚物力学性能的测试可以通过以下实验进行。
1
弯曲实验
2
测量材料在弯曲过程中的应力-应变关
系。
3
疲劳实验
4
测量材料在循Hale Waihona Puke 加载下的持久性能。拉伸实验
测量材料在拉伸过程中的应力-应变关 系。
压缩实验
测量材料在压缩过程中的应力-应变关 系。
四、分析高聚物力学性能的因素
高聚物力学性能受多种因素影响，包括：
先进制造技术的进展
2
和其他特殊性质。
先进制造技术的不断发展促进了高聚 物材料的创新和应用。
结语
高聚物的力学性能对材料和行业的发展至关重要。我们对高聚物力学性能的研究和应用有着广阔的未来 展望。
二、高聚物力学性能的指标
高聚物的力学性能指标描述了材料在受力时的表现。
1 强度
2 刚度
材料的抗力（强度）衡量了材料能够承受 的最大应力。
材料的刚度反映了材料抵抗形变的能力。
3 韧性
4 可塑性
材料的韧性描述了材料延展性和能够吸收 能量的能力。
材料的可塑性描述了材料的形变能力。
三、高聚物的力学性能测试方法
分子量
分子量越大，材料的强度和刚度通常会增加。
分子结构

高聚物的力学性能

高聚物的力学性能

△材料软而韧 低模量低屈服，断裂伸长率及强度大 典型实例：硫化橡胶、LDPE制品
△材料软而弱 低模量低强度，断裂伸长率中等 典型实例：未硫化天然橡胶
从以上看出，由的大小可判断材料的强弱；E 的大小反映材料的软硬，至于韧与脆则视应力 -应变曲线下面所包围面积的大小而定。
1.2.2 结晶态高聚物的应力-应变曲线
在试样上施加交变循环外力，试样承受循环应 力而产生循环应变，以致试样力学性能减弱或 破坏。
（5）冲击强度
高聚物材料的冲击强度是一个工艺上很重要的 指标，是材料在高速冲击状态下的韧性或抗断 裂的度量
1.3.3 影响高聚物强度的因素：
影响高聚物材料的因素很多。除材料本身的结 构因素外，还有与外界条件有关的因素，如温 度、湿度、光照、氧化老化、作用力时间长短 等。
B
B
Y
A
Y A
应力
A Y
应变
B
A-弹性极限；Y-屈服点；B-断裂点
拉伸过程中，高分子链的运动经过以下阶段： ①弹性形变（开始～A点） 应变随应力的增加而增大，服从虎克定律，
具有普弹性能；运动单元为键长、键角。对应 为弹性伸长极限。 ②强迫高弹形变（A点～B点） 中间经过屈服点Y，对应的 表示高聚物材 料对抗永久形变的能力；形变能力300%～ 1000%，并且可逆；运动单元为链段。 ③黏流形变（B点后） 形变为不可逆（永久形变）；运动单元为链段、 大分子链。
1.4.2 增强塑料
在树脂中加入增强剂使其强度得到不同程度的 提高，这种作用称为增强作用。
1.4.3 共混高聚物材料
将结构不同的均聚物、共聚物，甚至分子量不 同的同种高聚物，通过一定方法相互掺混，可 得到某些特定性能的共混高聚物材料。

第七八章 高聚物的力学性能

第七八章 高聚物的力学性能

松弛时间与应力有如下关系：
DE a 0 exp RT
DE是活化能，是与材料有关的常数
根据材料的力学性能及其应力-应变曲线特征，可将非晶态 聚合物的应力-应变曲线大致分为六类：
e （1）
e （2）
（1）材料硬而脆：在较大应力作用下，材料仅发生较小的应 变，并在屈服点之前发生断裂，具有高的模量和抗张强度，但 受力呈脆性断裂，冲击强度较差。 （2）材料硬而强：在较大应力作用下，材料发生较小的应 变，在屈服点附近断裂，具高模量和抗张强度
材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同，材料受力方式主要有以 下三种基本类型：
（i）简单拉伸（tensile)：
材料受到一对 垂 直于材料 截面、大小相等、方向相反并在同一直线 上的外力作用。 材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸长率（ ）。 F
A0
A
l0 Dl F
l
简单拉伸示意图
拉伸应力 = F / A0 （A0为材料的起始截面积） 拉伸应变（相对伸长率）e = （l - l0）/l0 = Dl / l0
（6）材料弱而脆：一般为低聚物，不能直接用做材料。 附：强与弱从强度比较；硬与软从模量比较；脆与韧则主要从 断裂伸长率比较。
结晶聚合物的拉伸
结晶聚合物在单向拉伸时典型的应力-应变曲线如下图：
未经拉伸的晶态聚合物中，其微 晶排列是杂乱的，拉伸使得晶轴与外 力方向不同的微晶熔化，分子链沿外 力方向取向再重排结晶，使得取向在 熔点以下不能复原，因之产生的形变 也不能复原，但加热到熔点附近形变 能复原，因此晶态聚合物的大形变本 质上也属高弹性。
7.1.3
高聚物的屈服
a-拉伸脆性断裂试样， b-韧性材料拉伸屈服时的试样 高聚物单轴拉伸的应力分析

高分子材料讲义之高聚物的力学性能

高分子材料讲义之高聚物的力学性能

= V0 −V V0
=
∆V V0
图 5–1 表示形变的基本类型。
图 5–1 形变的基本类型
（a）简单剪切（b）均匀压缩（c）简单拉伸
5.1.2 模量 图 5–1(a)表示横截面为矩形的物体的简单切变。切应变以切变时直角的减少
量 γ 来衡量。其弹性模量，即切变模量(或称刚度)G 定义为切应力对切应变之比：
体所受拉伸应力为σ，伸长率ε为应变，应力和应变之比为杨氏模量 E(或称抗张弹性 模量)。
E=σ/ε
上式即虎克定律，E 的大小则表征物体变形的难易程度。 高聚物材料的杨氏模量变化范围很宽，可由 106 达因／厘米 2(橡胶)变到 5×l016
达因／厘米 2(硬塑料)。这就是高聚物材料应用多样性的原因之一。
3
图 5–2 单轴取向材料的弹性模量 双轴取向或平面无规取向材料有 5 个独立的弹性模量，图 5—3 中绘出其中 4 种， Ep 为面向杨氏模量；Et 为侧向杨氏模量；Gp 为面向切变模量；Gt 为侧向切变模量。 此外，也有 2 个泊松比，即对面向力为 Vpt，对侧向力为 Vtp 。
Ep
Et
Gp
Gt
图 5–3 双轴取向材料的四个弹性模量
表 5–2 列出几种高聚物的弹性模量和泊松比值。
4
高聚物
聚乙烯（高结晶） 聚乙烯（低结晶）
聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯
尼龙-66
表 5–2 几种高聚物的弹性模量和泊松比
E×10-10 达因/厘米 2
G×10-10 达因/厘米 2
B×10-10 达因/厘米 2
5.05
这里所谓“简单”，是指只有一种形变，不涉及同时发生其它类型的形变，同时
内应力与外力存在简单的对应关系。在简单拉伸的情况下，材料受到的外力 F 是垂直 于截面积的大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个力，这时材料的形变称为

高分子物理----高分子的力学性能汇总

高分子物理----高分子的力学性能汇总

7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（1）当T<<Tg是，应力与应变成正比，最后应变
不到10%就发生断裂的（曲线①），称为脆性断裂。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（2）当温度稍升高些，但仍在Tg以下，曲线②上出现了一
个屈服点B，过了B点，应力反而下降，试样应变增大，继续拉
伸，试样将发生断裂，总的应变不超过20%，称为韧性断裂。
高分子的力学性能
Polymer Mechanical Properties
引 言
高聚物作为材料使用时，总是要求高聚物具有必 要的力学性能，可以说，对于其大部分应用而言，力 学性能比高聚物的其他物理性能显得更为重要。
引 言
随着高分子材料的大量应用，人们迫切需要了解 和掌握聚合物的力学性质的一般规律和特点及其与结 构之间的关系，以恰当选择所需要的高分子材料，正 确地控制加工的条件以获得所需的力学性能，并合理
应力称为屈服应力或屈服强度。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
屈服点之后，应力有所下降，在较小的负荷下即可产生形 变，称为应变软化。之后应力几乎不变的情况下应变有很大 程度的增加，最后应力又随应变迅速增加，直到材料断裂。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
四、几类高聚物的拉伸行为 1. 玻璃态高聚物的拉伸
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（3）当温度升高到Tg以下几十度范围内，如曲线③，过
了屈服点后，应力先降后升，应变增大很多，直到C点断裂，
C点的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率ε 。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（4）当温度升至Tg以上，试样进入高弹态，在应力不大
时，就可发生高弹形变，如曲线④，无屈服点，而呈现一段

聚合物材料的力学性能

聚合物材料的力学性能

第九章聚合物材料的力学性能第一节聚合物材料的结构相对分子质量大于10000以上的有机化合物称为高分子材料。

它是由许多小分子聚合而得到的，故又称为聚合物或高聚物。

聚合物的原子之间由共价键结合，称为主价键；而分子之间由范德瓦尔键连接，称为次价键。

分子间次价键力之和远远超过单个分子中原子间主价键的结合力，因此，聚合物在拉伸时常常先发生原子键的断裂，而不是分子链之间的滑脱。

这是聚合物具有较高强度，并可以作为结构材料使用的根本原因。

聚合物的小分子化合物称为单体，组成聚合物长链的基本结构单元则称为链节。

聚乙烯的单体为乙烯(CH 2=CH2)，其链节为-CH2-CH2-。

聚合物长链的重复链节数目、称为聚合度。

天然的聚合物有木材、橡胶、黄麻、棉花、丝、毛、发和角等。

本章主要讨论人工合成聚合物(工程塑料、合成纤维、合成橡胶等)的变形和断裂行为。

由于聚合物具有许多优点．在工业和日常生活小已获得广泛应用。

现在，人工合成聚合物产品的生产规模．在体积上早已超过金属产量的总和。

它在材料科学领域中占有重要地位。

聚合物的性能主要取决于其巨型分子的组成与结构。

聚合物的结构是多层次的，包括高分子链的近程结构、远程结构、聚集态结构和织态结构、液晶结构。

织态结构和液晶结构也是聚集态结构。

前者是高分子材料的高层次结构，是指不同高分子之间或高分子与添加剂分子之间的排列和堆砌结构；后者是高分于长链的主链或侧链有液晶原并与柔性链联接的结构。

限于篇福，本书不介绍这两种结构。

一、高分子链的近程结构-构型高分子链的近程结构是指由化学键所固定的几何形状-高分子构型，即指高分子链的化学组成、键接方式和立体构型等。

上述的聚乙烯是由一种结构单体合成的，故该类聚合物又称为均聚物。

均聚物中的分子链之间若不发久联接．则为线型均聚物或支链型均聚物．前者如高密度聚乙烯，后者如低密度聚乙烯(具有支链结构，分子两侧具有相当数量的长支链和短支链，图9-1)。

若低密度聚乙烯中短支链规则排列，则也是线性规聚物。

高聚物的力学性能

高聚物的力学性能
Biblioteka u ( )T ,V 0 l
S f T ( )T ,V l
理想高弹体拉伸时，只引起熵变； 只有熵的变化对理想高弹体有贡献。
理想高弹体的高弹性即为熵弹性。
实际橡胶可看成理想高弹体，因此高弹性的本质为熵弹性。
江门职业技术学院材料系
f
2、 fu =?
f
fs fu

6
四、影响高弹性的结构因素 1、相对分子质量大，分子链长且柔性好。 2、具有无定形态（非晶态）结构。 3、大分子链间有适度的交联。
外力作用在橡胶上，一方面使橡胶的内能随伸长而变化， 另一方面使橡胶的熵随伸长而变化。 橡胶的内部张力是由于变形时内能发生变化和熵发生变化引起的。
江门职业技术学院材料系 5
三、橡胶弹性的热力学分析
由实验橡胶拉伸时f 、fu、fs与ε的关系曲线：
fu 0
3、理想高弹体及橡胶高弹性的本质 理想高弹体：等温等容形变过程中内能保持不变的弹性体。
江门职业技术学院材料系 2
一、橡胶的使用温度范围
2、改善低温易脆性，降低Tg ，减少结晶，提高橡胶的耐寒性 耐寒性：抵抗低温易脆性的能力。 Tg 低，低温下，σi↑，耐寒性好。 橡胶的结晶度低、提高增塑剂的含量、共聚上可使Tg 降低的组分，耐寒 性都可提高。
江门职业技术学院材料系
3
二、高弹性的特点
江门职业技术学院材料系
7
聚合物在高弹态表现的力学性质为高弹性。 1、弹性模量小，形变量大，为高弹形变 2、弹性模量E与温度有关 模量其实是抵抗形变的能力， 高弹态大分子链段易活动，大分子链趋于卷曲，对橡胶施加外力时，橡胶 大分子有回缩力， 温度升高，链段活动能力↑，大分子链卷曲程度↑ ，回缩力↑， E↑。 3、形变需要时间，即高弹形变与时间有关 高弹形变是由链段的运动来实现的，而链段运动是松弛过程，因此高弹形 变需要时间，或者说形变落后于外力。 4、形变时有热效应 橡胶伸长变形时，①分子链排列规整性提高，熵值减小； ②分子间的内摩擦产生热量； ③由于分子链排列规整性提高，结晶，放热。 因此，橡胶被拉伸时放热，回缩时就会吸热。 金属材料被拉伸时吸热：金属为结晶材料，拉伸时结晶被破坏，吸热。

高聚物的力学性能材料科学基础

高聚物的力学性能材料科学基础

由于高聚物突出的粘弹性，其应力-应变
行为受温度和应变速率的影响很大。 图9-26（温度对应力—应变行为的影响） 韧-脆转变温度称为脆化温度Tb
应变速率对高聚物应力—应变行为的影响
规律，可概括为“降低应变速率的效果相 当于升高温度”。
2、高聚物的屈服与冷拉
玻璃态高聚物在Tb~Tg之间和部分结晶高
四、高聚物的应力—应变行为
1、高聚物典型的应力—应变行为： 高聚物的品种很多，力学性能变化范围很广，就
室温下的应力—应变行为而言有四种典型的曲线。 图9-25 判断材料强、弱的指标是断裂强度； 判断材料刚与软的指标是弹性模量； 判断材料淬与韧的指标是断裂能； 凡是能出现屈服点、断裂强度高、断裂伸长率大 的材料，一般具有良好的韧性。
聚物在Tb~Tm之间典型的拉伸应力-应变 曲线和试样形状的变化过程如图9-27 冷拉的概念 冷拉后残留变形的恢复 银纹现象： 银纹不同于裂纹： 银纹仍有一定的强度 银纹的形成是玻璃态高聚物脆性断裂的先 兆，裂纹是通过银纹扩展的。（图9-30）
3、高聚物的断裂强度
高聚物断裂机理假设：
形变
非 晶 态 聚 合 物
玻 璃 态
温度 Tf Tg Tg – glass transition temperature 玻璃化转变温度
Tf – viscosity flow temperature 粘流温度
The relationship between modulus and temperature 模量与温度的关系
与金属材料相比，高聚物的模量和强度要低 得多，而最大断裂伸长率又比金属高得多。
刚而脆：弹性模量高，抗拉强度大，没有屈服点，
断裂伸长率一般小于2%。 刚而强：弹性模量高，抗拉强度大，断裂伸长率 可达5%。 软而韧：弹性模量低，屈服点低或没有明显的屈 服点，伸长率很大 20%~1000% ，断裂强度较高。 刚而韧：弹性模量高，有明显的屈服，屈服强度 和抗拉强度都高，断裂伸长率较大。应力—应变 曲线包围的面积很大，表明这类材料是良好的韧 性材料。

高聚物的力学性能-5.5

高聚物的力学性能-5.5

强迫高弹形变： 强迫高弹形变： 在温度位于Tg以下几十度的范围内拉伸高聚物试样，试 在温度位于 以下几十度的范围内拉伸高聚物试样， 样在屈服后出现较大的应变; 样在屈服后出现较大的应变 如果在试样断裂前停止拉伸，除去外力， 如果在试样断裂前停止拉伸，除去外力，大形变无法完 全回复； 全回复； 但是如果让试样的温度升到T 附近，则形变又回复了； 但是如果让试样的温度升到 g附近，则形变又回复了； 本质上是一种高弹形变，但表现的形式却有区别； 本质上是一种高弹形变，但表现的形式却有区别； 通常称玻璃态聚合物在大外力作用下发生的大形变为强 通常称玻璃态聚合物在大外力作用下发生的大形变为强 迫高弹形变。 迫高弹形变。
dσ 1 dσ ′ ′ = 0 = 1+ ε ) −σ 2 ( d ε (1 + ε ) dε
得
dσ ′ σ ′ σ ′ = = dε 1 + ε λ
或者
dσ ′ dσ ′ σ ′ = = dε dλ λ
Considere（康西特莱）作图法： （康西特莱）作图法：
σ' σ'y
-1
（5）根据拉伸情况，判断高聚物材料的类型 ）根据拉伸情况， 判断：强与弱、硬与软、韧与脆、 判断：强与弱、硬与软、韧与脆、等 p.267，图5-30 ，
小结： 小结： 强迫高弹性的影响因素 1) 温度 2) 外力的大小 3) 外力作用速率 4) 高聚物结构
高聚物具有可运动的链段
1. 应力-应变曲线 应力 应变曲线 （2）晶态高聚物的拉伸 ）
σ
Y
X
比玻璃态高聚物的拉 伸应力-应变曲线具有 伸应力 应变曲线具有 更为明显的转折
ε
结晶高聚物的应力-应变曲线 结晶高聚物的应力 应变曲线 及试样外形变化示意图

高聚物概述与力学性能

高聚物概述与力学性能
高聚物的概述和力学性能
（2）高聚物的粘弹性：指高聚物材料不 但具有弹性材料的一般特性，同时还 具有粘性流体的一些特性。弹性和粘 性在高聚物材料身上同时呈现得特别 明显。
高聚物的粘弹性表现在它有突出的力 学松弛现象，在研究它的力学性能时 必须考虑应力、应变与时间的关系。 温度对力学性能也是非常重要的因素
真应变：
l dl i l l0 i
切应变：
压缩应变：
r tg
是偏斜角
V V0
张应力： F 切应力：
A0
真应力：
s
F A0
F A
压力P
高聚物的概述和力学性能
弹 杨氏模量： 切变模量： 体积模量：
性 模
E F A0 l l0
量 泊松比：
G＝s F r A0tg
B P PV0 V
《1》孤立柔性高分子链的构象熵 《2》橡胶交联网形变过程的熵变 《3》交联网的状态方程
（应力~应变关系） 《4》状态方程的偏差及其修正
高聚物的概述和力学性能
2-4 橡胶的使用温度
在高于一定温度时，橡胶由于老化而 失去弹性；在低于一定温度时，橡胶 由于玻璃化而失去弹性。
如何改善橡胶的耐热性和耐寒性，即 扩大其使用温度的范围是十分重要的。
高聚物的概述和力学性能
为了改善其耐老化性能我们采取 1.改变橡胶主链结构 (1)主链不含双键
乙丙橡胶： CH2 CH2 CH CH2 CH3
丙烯睛—丙烯酸酯胶：
CH2 CH CH2 CH
CN
RO C O
(2)主链上含双键较少的丁基橡胶（异丁
烯与异戊二烯）
高聚物的概述和力学性能
(3)主链上含S原子的聚硫橡胶
处于高弹态的高聚物表现出独特的力学 性能——高弹性

高分子材料的力学性能

高分子材料的力学性能
力，增加高分子的极性或产生氢键可以提高材料的强度；
（4）交联：适度的交联可以有效地增加分子链之间的联系，限
制分子链间的相对滑移及分子链的活动性，有利于强度的提高；
（交联反应：2个或者更多的分子相互键合交联成网络结构的较稳定分 子的反应。）
高分子材料的力学性能
（5）结晶和取向：结晶和取向可使分子链规整排列，分子间
影响抗拉强度的因素：
凡是有利于提高材料的弹性模量、有利于增 加断裂过程的表面功和增加分子稳定性的因素， 都使材料的强度提高；
凡是使材料应力分布的不均匀性增加的因素， 都使材料的强度下降。
总的来说可以分为两类：一类是与材料本 身结构有关的内因，一类是与材料受力环境有 关的外因。
高分子材料的力学性能
一、内因的影响
4、共聚和共混：
➢通过共聚将两种性质不同的单体经化学键结合， 形成综合两种以上均聚物性能的新材料，提高材料 的抗拉强度。 ➢共混是通过物理方法使两种及以上材料均匀混合 的改性手段，从而提升高聚物的强度。
5、填料：
高分子材料的力学性能
在高聚物中加入固体填料可得到多相复合材料
根据其在复合材料中的使用目的分类： 惰性填料：起填充稀释以降低制品的成本的作用， 材料的强度随之降低
67
聚甲醛
增强
82
未增强
67
尼龙
增强
210
高分子材料的力学性能
二、受力环境的影响：
施力强度的大小 施力速度的快慢 施力时的温度高低
高分子材料的力学性能
长期强度：
在工程地质学上是指使蠕变类型由趋稳蠕变类型转变 为典型蠕变类型的临界应力。（趋稳蠕变又称稳定型蠕变。 岩体在恒定荷载作用下，岩土的变形随时间而增长，但增 长的速率随时间而递减，最后使变形趋于某一稳定值的蠕 变类型。）

第七章 高聚物的力学性质(修改2)

第七章 高聚物的力学性质(修改2)

⑴. 简单拉伸
(7-1) (7-2)
(7-3)
(7-4)
式中，F是垂直于截面积大小相等方向相反的两个作用力；l0为 材料起始的长度；l为变形后材料的长度；ε为拉伸应变；ζ为应力； A0为材料起始的横截面积；A为在拉力F的作用下，材料变形后 真实的截面积；δ为真应变。
⑵. 简单剪切
偏斜角θ 的正切定义为切应变：
④ T>Tg，高弹态，不出现
屈服点，出现很大的高弹 形变
2. 玻璃态高聚物的强迫高弹形变 玻璃态高聚物在大的外力作用下发生很大的形变称 为强迫高弹形变。
影响强迫高弹形变的因素:
⑴.外力的大小 玻璃态高聚物，外力作用的松弛时间η与应力ζ的关 系：
⑵.温度的影响
脆化温度：其是一个特征温度，用 Tb 表示，当温 度低于 Tb 时，玻璃态高聚物不能发生强迫高弹形变， 而必定发生脆性断裂，因此称 Tb 为脆化温度。 玻璃态 高聚物只有在 Tb ~ Tg 之间的温度范围内，才能在外力 作用下实现强迫高弹形变，而强迫高弹形变又是塑料 具有韧性的原因，因此 Tb 是塑料使用的最低温度。 ⑶.外力作用速度的影响
在试样上施加压缩载荷至其破裂（脆性材料）或产生 屈服现象（非脆性材料）时，原单位横截面上所能承 受的载荷称为压缩强度。
压缩强度：
压缩模量：
压缩模量等于拉伸模量
一般而言，塑性材料抵抗拉伸应力能力强，而脆性材 料抵抗压缩应力能力强。
3. 弯曲强度（也称为挠曲强度）
在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至 破裂时的载荷称为弯曲强度。
ζβn ＝ ζ0 cos2β= ζ0 sin2α ζβs ＝ ζ0 sin2β/2= -ζ0 sin2α/2
ζαn + ζβn ＝ ζ0

第4章 高聚物的力学性能讲解

第4章 高聚物的力学性能讲解

e1
t1
t2
t
普弹形变示意图
（ii）高弹形变（e2）：
聚合物受力时，高分子链通过链段运动产生的形变，形变量比普弹
形变大得多，但不是瞬间完成，形变与时间有关。当外力除去后，高弹
形变逐渐回复。如下图： e2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t1
t2
t
高弹形变示意图
（iii）粘性流动（e3）：
受力时发生分子链的相对位移，外力除去后粘性流动不能回复，
无关；理想粘性流体（如水）在外力作用下形变随时间线性发展。 作为粘弹性材料的高聚物，其力学性能受到力、形变、温度和时间 四个因素的影响。 描述粘弹性高聚物材料的力学行为必须同时考虑应力、应变、时间 和温度四个参数。高聚物材料的力学性能对时间和温度的强烈依赖性 是研究其力学性能中要着重弄清的问题。
聚合物的力学性能随时间的变化统称为力学松弛。最基本的力学 松弛现象包括蠕变、应力松弛、滞后和力学损耗等。 在测试和研究中，往往在应力、应变、时间和温度四个因素中 固定两个因素以考察另外两个因素之间的关系。

以应力～应变关系作图时，所得

拉伸曲线 回缩曲线
的曲线在施加几次交变应力后就
封闭成环，称为滞后环或滞后圈， 此圈越大，力学损耗越大。

例1：对于作轮胎的橡胶，则希望它有最小的力学损耗才好 顺丁胶：内耗小，结构简单，没有侧基，链段运动的内摩擦较小

丁苯胶：内耗大，结构含有较大刚性的苯基，链段运动的内摩擦较大

4.5 聚合物的屈服和断裂
高聚物的拉伸应力—应变曲线
Point of elastic limit 弹性极限点
Yielding point 屈服点 Strain softening 应变软化

第一章高聚物的力学性能-精简版2

第一章高聚物的力学性能-精简版2


⑴高聚物的滞后现象与其本身的化学 结构有关：通常刚性分子滞后现象小 （如塑料）；柔性分子滞后现象严重 （如橡胶） ⑵滞后现象还受到外界条件的影响




外力作用的频率 如果外力作用的频率低，链段能够来 得及运动，形变能跟上应力的变化， 则滞后现象很小。 只有外力的作用频率处于某一种水平， 使链段可以运动，但又跟不上应力的 变化，才会出现明显的滞后现象
3、冲击强度（i） 冲击强度也称抗冲强度, 定义为试样受冲 击负荷时单位截面积所吸收的能量。是衡量 材料韧性的一种指标。
P
冲击头，以一定速 度对试样实施冲击
d b
l0/2
l0/2
思考题
1.两种组成基本相同的乙烯-丙稀共聚物，一 种适于rubber，而另一种适于plastics。推测 其原因，如何验证你的推测? 2、不受外力作用，橡皮筋受热伸长； 在恒定外力作用下，受热收缩，试用高 弹性热力学理论解释 。 3、在橡胶下悬一砝码，保持外界不变， 升温时会发生什么现象？
例如，自行车行驶时橡胶轮胎的某一部分一会儿着地，一 会儿离地，因而受到的是一个交变力。在这个交变力作用 下，轮胎的形变也是一会儿大一会儿小的变化。形变总是 落后于应力的变化，这种滞后现象的发生是由于链段在运 动时要受到内摩擦力的作用。当外力变化时，链段的运动 跟不上外力的变化，所以落后于应力，有一个相位差δ。 相位差越大，说明链段运动越困难。
泊松比数值
解
释
0.5 0.0 0.49~0.499 0.20~0.40
不可压缩或拉伸中无体积变化 没有横向收缩 橡胶的典型数值 塑料的典型数值
1、拉伸强度
衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。
厚度d P
宽度b
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间的变化 • 强度：材料所能承受的应力 • 韧性：材料断裂时所吸收的能量
1-2 表征材料力学性能的基本物理量
受 简单拉伸 力 F 方 l0 式
F
简单剪切
F
θ F
均匀压缩
参数
, , , , ,
受 力 特 点
外力F是与截面 外力F是与界面 材料受到的 是围压力。 垂直，大小相等， 平行，大小相 方向相反，作用 等，方向相反 在同一直线上的 的两个力。 两个力。
• 高弹性：小的应力作用下可发生很大
的可逆形变，是由内部构象熵变引起 的，所以也称熵弹性（橡胶具有高弹 性） • 静态力学性能：在恒应力或恒应变情 况下的力学行为 • 动态力学性能：物体在交变应力下的 粘弹性行为 • 应力松弛：在恒应变情况下，应力随 时间的变化
• 蠕变：在恒应力下，物体的形变随时
学性能不好，很脆。不能用它作减摩材料 • 如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它 们有一定的力学性能：强度和韧性。如果 折叠几次就破裂，那么这种材料的电绝缘 性虽好，也不能用作电线。
普弹性 弹 性 Elasticity
高弹性 High elasticity 应力松弛 静 态 Static
形变性能 Deformation
粘 性 Viscosity
线性粘弹性
Linear viscoelasticity 粘弹性 viscoelasticity 非线性粘弹性
蠕 变
滞 后 力学损耗
动 态 Dynamic
Non-Linear viscoelasticity
强 度 断裂性能
张应变： 应变
l l0 l0
切应变：
r tg
压缩应变：
V V0
真应变：
dli l0 l i
l
是偏斜角
F 张应力：
切应力：
s
F A0
压力P
A0
F A
应力
真应力：

弹 性 模 量
杨氏模量：
E
切变模量：
G＝
体积模量：
B P PV 0 V
必须同时考虑应力、应变、时间和 温度四个参数。高聚物材料的力学 性能对时间和温度的强烈依赖性是 研究其力学性能中要着重弄清的问 题，也是进行高聚物材料的测试及 使用时必须十分注意的问题。
第二节 高弹性
• 2-1 高弹性的特点 • 2-2 平衡态高弹性热力学分析 • 2-3 橡胶的使用温度
2-1 高弹性的特点
第七章 高聚物的力学性能
第一节 第二节 第三节 第四节 概述 高弹性 粘弹性 极限力学行为（屈服、破坏与 强度）
第一节 概述
• 1-1 力学性能分类 • 1-2 表征力学性能的基本物理量 • 1-3 高聚物力学性能的特点
1-1 力学性能分类
• 力学性能是高聚物优异物理性能的基础 • 如：某高聚物磨擦，磨耗性能优良，但力
常用术语： • 力学行为：指施加一个外力在材料上， 它产生怎样的形变（响应） • 形变性能：非极限情况下的力学行为 • 断裂性能：极限情况下的力学行为 • 弹性：对于理想弹性体来讲，其弹性 形变可用虎克定律来表示，即：应力 与应变成正比关系，应变与时间无关
• 粘性：在外力作用下，分子与分子之
间发生位移，理想的粘性流体其流动 形变可用牛顿定律来描述：应力与应 变速率成正比 • 普弹性：大应力作用下，只产生小的、 线性可逆形变，它是由化学键的键长， 键角变化引起的。与材料的内能变化 有关：形变时内能增加，形变恢复时， 放出能量，对外做功（玻璃态，晶态， 高聚物，金属，陶瓷均有这种性能）， 普弹性又称能弹性
6~ 7 2
11~12 2
• ③在快速拉伸时（绝热过程），高聚
物温度上升；而金属材料温度下降。 如果把橡胶薄片拉长，把它贴在嘴唇 或面颊上，就会感到橡皮在伸长时发 热，回缩时吸热。 • ④形变与时间有关，橡胶受到外力 （应力恒定）压缩或拉伸时，形变总 是随时间而发展，最后达到最大形变， 这种现象叫蠕变。
• PS制品很脆，一敲就碎（脆性） • 尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易
破碎（韧性） • 轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几 倍，力解除后基本恢复原状（弹性） • 胶泥变形后，却完全保持新的形状 （粘性） • 高聚物力学性质的这种多样性，为不 同的应用提供了广阔的选择余地
• 2.高聚物力学性能的最大特点是
（2）高聚物的粘弹性：指高聚物材料 不但具有弹性材料的一般特性，同时 还具有粘性流体的一些特性。弹性和 粘性在高聚物材料身上同时呈现得特 别明显。 • 高聚物的粘弹性表现在它有突出的力 学松弛现象，在研究它的力学性能时 必须考虑应力、应变与时间的关系。 温度对力学性能也是非常重要的因素
• 描述粘弹性高聚物材料的力学行为
• 高弹态是高聚物所特有的，是基于链段
运动的一种力学状态，可以通过高聚物 在一定条件下，通过玻璃化转变而达到 • 处于高弹态的高聚物表现出独特的力学 性能——高弹性 • 这是高聚物中一项十分难能可贵的性能
• 橡胶就是具有高弹性的材料，高弹性
的特征表现在： • ①弹性形变大，可高达1000%，而金 属材料的普弹形变不超过1% 10 达因 cm • ②弹性模量小， ，而且随绝对 温度升高而升高；而金属材料的弹性 达因 10 模量达 cm ，而且随绝对温度升 高而降低
F A0 l l0
s
r

F A0 tg
泊淞比：

m m l l 横向单向单位宽度的 纵向单位宽度的增加
柔 量 机械 强度
拉伸柔量：
1 D E
切变柔量：
J 1 G
可压缩度：
1 B
1-3 高聚物力学性能的特点
• 1．高聚物材料具有所有已知材料
可变性范围最宽的力学性质，包括 从液体、软橡皮到很硬的固体，各 种高聚物对于机械应力的反应相差 很大，例如：
高弹性和粘弹性
（1）高聚物的高弹性：是由于高聚物极 大的分子量使得高分子链有许多不同的 构象，而构象的改变导致高分子链有其 特有的柔顺性。链柔性在性能上的表现 就是高聚物的高弹性。它与一般材料的 普弹性的差别就是因为构象的改变；形 变时构象熵减小，恢复时增加。内能在 高弹性形变中不起主要作用（它却是普 弹形变的主要起因）
• 原因：由于橡胶是长链分子，整个分