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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。
试验1高分子材料拉伸强度及断裂伸长率测定摘要：本实验旨在测定高分子材料的拉伸强度和断裂伸长率。
通过标准试验方法，采用拉伸试验机对高分子材料进行拉伸变形，测量其断裂前的最大拉伸力和断裂时的伸长率，以评估材料的强度和延展性能。
实验结果显示，高分子材料的拉伸强度和断裂伸长率与其结构和成分密切相关。
关键词：高分子材料、拉伸强度、断裂伸长率、材料性能评估引言：高分子材料具有广泛的应用领域，如塑料、橡胶、纤维等。
对于这些材料而言，其力学性能尤为重要，包括强度和延展性。
拉伸强度和断裂伸长率是评估高分子材料力学性能的重要参数，能够反映材料是否具有足够的强度和延展性。
因此，通过测定高分子材料的拉伸强度和断裂伸长率，可以评估其适用范围和质量。
实验方法：1.实验仪器与试样准备使用标准拉伸试验机，根据国际标准ASTM D638或GB 1040，选择合适的试样尺寸。
将试样制备成矩形条形，宽度为10 mm，厚度为约2 mm。
试样长度根据实际需要确定。
2.实验设定与操作将试样夹持在拉伸试验机上，并调整夹具，使试样处于合适的拉伸状态。
根据试样质量和试验要求，设定拉伸速度，在试验过程中保持恒定。
3.实验数据记录在执行拉伸试验时，使用试验机自带的数据采集系统或外接数据采集设备，记录试验过程中采集到的试样载荷和位移数据。
根据数据计算并记录试验过程中的应力和应变值。
4.数据处理根据试验数据计算最大拉伸力（F_max）和最断裂时的伸长率（ε_rupt）。
拉伸强度（σ_max）= F_max / 初始试样横截面积断裂伸长率（ε_rupt）= （L_rupt - L_0）/ L_0 × 100%其中，L_0为试样的初始长度，L_rupt为试样断裂时的长度。
5.实验重复与数据分析对同一批次的高分子材料进行多次试验，记录多组数据，并计算出平均值和标准差。
根据实验数据进行统计分析，评估材料的拉伸强度和断裂伸长率。
结果与讨论：通过多组实验数据分析，可以得出高分子材料的拉伸强度和断裂伸长率范围。
第三节 高分子材料的力学强度在高分子材料诸多应用中，作为结构材料使用是其最常见、最重要的应用。
在许多领域，高分子材料已成为金属、木材、陶瓷、玻璃等的代用品。
之所以如此，除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀等优点外，还因为它具有较高的力学强度和韧性。
理论上，根据完全伸直链晶胞参数求得的聚乙烯最高理论强度达1.9x104MPa ，是钢丝的几十倍。
实验室中，已经获得高拉伸聚酰胺纤维在液氮中的最高实际强度达2.3x103MPa 。
为了评价高分子材料使用价值，扬长避短地利用、控制其强度和破坏规律，进而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高分子材料力学强度变化的宏观规律和微观机理。
本节一方面介绍描述高分子材料宏观力学强度的物理量和演化规律；另一方面从分子结构特点探讨影响高分子材料力学强度的因素，为研制设计性能更佳的材料提供理论指导。
鉴于高分子材料力学状态的复杂性，以及力学状态与外部环境条件密切相关，高分子材料的力学强度和破坏形式也必然与材料的使用环境和使用条件有关。
一、高分子材料的拉伸应力-应变特性（一） 应力－应变曲线及其类型测量材料的应力-应变特性是研究材料强度和破坏的重要实验手段。
一般是将材料制成标准试样，以规定的速度均匀拉伸，测量试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。
常用的哑铃型标准试样如图4-26所示，试样中部为测试部分，标距长度为l 0，初始截面积为A 0。
图4-26 哑铃型标准试样设以一定的力F 拉伸试样，使两标距间的长度增至l ，定义试样中的应力和应变为：A F =σ （4-57） 000l l l l l ∆=-=ε （4-58） 注意此处定义的应力σ等于拉力除以试样原始截面积A 0，这种应力称工程应力或公称应力，并不等于材料所受的真实应力。
同样这儿定义的应变为工程应变，属于应变的Euler 度量。
典型高分子材料拉伸应力-应变曲线如图4-27所示。
图4-27 典型的拉伸应力-应变曲线图中曲线有以下几个特征：OA 段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力－应变呈直线关系变化，直线斜率E d d =εσ相当于材料弹性模量。
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。
高分子材料性能与评价引言高分子材料是一类重要的材料，由于其独特的化学结构和物理性能，广泛应用于工程、医疗、电子等领域。
高分子材料的性能对于材料的选择和设计具有重要意义。
本文将介绍高分子材料的性能与评价方法，为材料研究和应用提供参考。
高分子材料性能高分子材料的性能可以通过多个方面进行评价，下面将介绍几个重要的性能指标。
1. 机械性能高分子材料的机械性能是指其在受力条件下的力学响应特性，包括强度、刚度、韧性等。
其中，强度是指材料抵抗外力破坏的能力，通常以拉伸强度和压缩强度来表示；刚度是指材料的变形能力，常用弹性模量来表示；韧性是指材料在断裂前的塑性变形能力，常用断裂韧性来表示。
机械性能的评价通常通过拉伸、压缩、弯曲等实验来进行。
2. 热性能高分子材料的热性能是指其在高温条件下的稳定性和变形能力。
热稳定性是指材料在高温下不发生分解和失效的能力，常用热分解温度来表示；热变形能力是指材料在高温下的变形行为，通常通过热膨胀系数和热软化温度来评价。
3. 光学性能高分子材料的光学性能是指其对光的透过性、散射性和吸收性等特性。
透过性是指材料对光的透过能力，常用透光率来表示；散射性是指材料对光的散射能力，常用散射系数来评价；吸收性是指材料对光的吸收能力，常用吸收系数来表示。
光学性能的评价通常通过透光率、透明度和显色变化来进行。
4. 电性能高分子材料的电性能是指其导电性和绝缘性等特性。
导电性是指材料能够导电的能力，常用电导率来评价；绝缘性是指材料阻止电流通过的能力，常用电阻率来表示。
电性能的评价通常通过电导率、电阻率和介电常数等参数来进行。
高分子材料评价方法高分子材料的评价方法主要包括实验方法和计算模拟方法两种。
下面将介绍几种常用的评价方法。
1. 实验方法实验方法是通过实验来评价高分子材料的性能。
常用的实验方法包括拉伸实验、压缩实验、弯曲实验等。
通过这些实验可以得到高分子材料的力学性能、热性能、光学性能和电性能等参数。
高分子材料的力学性能测试及其应用研究高分子材料是一类重要的工程材料，主要用于纺织、建筑、电子、医药等领域。
高分子材料具有轻量、高强、高韧性、耐磨损、耐腐蚀等特点，因此广泛应用于各种领域。
在使用高分子材料的过程中，需要了解其力学性能，以便更好地设计、制造和使用。
本文将介绍高分子材料的力学性能测试方法和应用研究。
一、高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能包括弹性性能、塑性性能和破坏性能。
其中弹性性能是指材料在受力后恢复原状的能力，主要包括弹性模量和泊松比。
塑性性能是指材料在受力后能够发生变形的能力，主要包括屈服强度和延伸率。
破坏性能是指材料在受到足够大的载荷后会发生破坏的能力，主要包括断裂韧性和破坏模式。
二、高分子材料的力学性能测试方法1、拉伸试验拉伸试验是最常用的高分子材料力学性能测试方法之一。
通过将试样拉伸至断裂点，测量其载荷与变形量的关系，可以得到材料的应力-应变曲线。
从应力-应变曲线中，可以计算出材料的弹性模量、屈服强度、断裂强度和断裂伸长率等重要参数。
拉伸试验可以使用单轴拉伸机、万能试验机等设备进行。
2、压缩试验压缩试验是评估材料抗压能力的一种方法。
该试验通常以轴向载荷进行，压缩试验结果可以用于确定材料的体积模量或多轴应力状态下的应变量。
根据材料应变分布的不同，可以得到不同的应力-应变曲线，从而得到压缩弹性模量和屈服应力等参数。
3、剪切试验剪切试验可以评估材料的剪切性能，通常使用剪切试验机进行。
在剪切试验中，试样被植入两个夹具中，夹具沿着对称面施加力，使试样发生沿切平面的剪切变形。
通过测量必要的载荷和位移，可以获得材料剪切应力和剪切应变，并从中得出剪切模量和剪切强度等重要参数。
4、冲击试验冲击试验是评估材料耐冲击能力的一种方法。
通常在低温下进行，使用冲击试验机施加冲击载荷，在断裂前测量材料的冲击强度和断裂韧性等参数。
这种试验可以评估大多数高分子材料的耐冲击性和脆性，在材料开发和制造中具有重要的应用价值。
第三节 高分子材料的力学强度
在高分子材料诸多应用中，作为结构材料使用是其最常见、最重要的应用。
在许多领域，高分子材料已成为金属、木材、陶瓷、玻璃等的代用品。
之所以如此，除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀等优点外，还因为它具有较高的力学强度和韧性。
理论上，根据完全伸直链晶胞参数求得的聚乙烯最高理论强度达1.9x104MPa ，是钢丝的几十倍。
实验室中，已经获得高拉伸聚酰胺纤维在液氮中的最高实际强度达2.3x103MPa 。
为了评价高分子材料使用价值，扬长避短地利用、控制其强度和破坏规律，进而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高分子材料力学强度变化的宏观规律和微观机理。
本节一方面介绍描述高分子材料宏观力学强度的物理量和演化规律；另一方面从分子结构特点探讨影响高分子材料力学强度的因素，为研制设计性能更佳的材料提供理论指导。
鉴于高分子材料力学状态的复杂性，以及力学状态与外部环境条件密切相关，高分子材料的力学强度和破坏形式也必然与材料的使用环境和使用条件有关。
一、高分子材料的拉伸应力-应变特性
（一） 应力－应变曲线及其类型
测量材料的应力-应变特性是研究材料强度和破坏的重要实验手段。
一般是将材料制成标准试样，以规定的速度均匀拉伸，测量试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。
常用的哑铃型标准试样如图4-26所示，试样中部为测试部分，标距长度为l 0，初始截面积为A 0。
图4-26 哑铃型标准试样
设以一定的力F 拉伸试样，使两标距间的长度增至l ，定义试样中的应力和应变为：
A F =σ （4-57） 0
00l l l l l ∆=-=ε （4-58） 注意此处定义的应力σ等于拉力除以试样原始截面积A 0，这种应力称工程应力或公称应力，并不等于材料所受的真实应力。
同样这儿定义的应变为工程应变，属于应变的Euler 度量。
典型高分子材料拉伸应力-应变曲线如图4-27所示。
图4-27 典型的拉伸应力-应变曲线
图中曲线有以下几个特征：OA 段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力－应变呈直线关系变化，直线斜率E d d =εσ相当于材料弹性模量。
越过A 点，应力－应变曲线偏离直线，说明材料开始发生塑性形变，极大值Y 点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）y σ和屈服应变y ε。
发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈”现象，材料应力略有下降，发生“屈服软化”。
而后随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈”区越来越大。
直到拉伸应变很大时，材料应力又略有上升（成颈硬化），到达B 点发生断裂。
与B 点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）B σ和断裂伸长率B ε，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。
曲线下的面积等于
⎰=B
d W εεσ0 （4-59） 相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为J •m -3，称断裂能或断裂功。
它是表征材料
韧性的一个物理量。
由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力－应变曲线具有多种形状。
归纳起来，可分为五类（图4-28）。
图4-28 高分子材料应力-应变曲线的类型
（1）硬而脆型 此类材料弹性模量高（OA 段斜率大）而断裂伸长率很小。
在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。
在室温或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。
（2）硬而强型 此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长率小。
通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（B ε大约为5%）。
硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。
（3）硬而韧型 此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，应力－应变曲线下的面积很大，说明材料韧性好，是优良的工程材料。
硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。
随着形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。
很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯以及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。
（4）软而韧型 此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大（20%～1000%），断裂强度可能较高，应力－应变曲线下的面积大。
各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力－应变特征。
（5）软而弱型 此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。
一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。
实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典型性，或是几种类型的组合。
例如有的材料拉伸时存在明显的屈服和“颈缩”，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。
材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件（如拉伸速率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也会发生大于100%的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。
因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。
（二） 影响拉伸行为的外部因素
1、温度的影响
环境温度对高分子材料拉伸行为的影响十分显著。
温度升高，分子链段热运动加剧，松弛过程加快，表现出材料模量和强度下降，伸长率变大，应力－应变曲线形状发生很大变化。
图4-29是聚甲基丙烯酸甲酯在不同温度下的应力－应变曲线。
图中可见，随着温度升高，应力－应变曲线由硬而脆型转为硬而韧型，再转为软而韧型。
材料力学状态由玻璃态转为高弹态，再转为粘流态。
图4-29 聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变曲线随环境温度的变化（常压下）
材料的拉伸断裂强度B σ和屈服强度y σ也随环境温度而发生变化，变化规律如图4-30所示。
图中两曲线的变化规律不同，屈服强度受温度变化的影响更大些。
两曲线交点对应的温度称脆-韧转变温度t T 。
当环境温度小于t T 时，材料的B σ＜y σ，说明受到外力作用时，材料未屈服之前先已断裂，断裂伸长率很小，呈脆性断裂特征。
环境温度高于t T 时，材料B σ＞y σ，受到外力作用时，材料先屈服，出现细颈和很大的变形后才断裂，呈韧性断裂特征。
在温度升高过程中，材料发生脆-韧转变。
图4-30 B σ和y σ随温度的变化趋势
2、拉伸速率的影响
高分子材料拉伸行为还与拉伸速率有关。
减慢拉伸速率，一种原来脆断的材料也可能出现韧性拉伸的特点。
减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。
拉伸速率对材料的断裂强度B σ和屈服强度y σ也有明显影响，图4-31给出B σ和y σ随拉伸速率的变化趋势。
与脆-韧转变温度相似，根据图中两曲线交点，可以定义脆-韧转变（拉伸）速率t ε。
拉伸速率高于t ε时，材料呈脆性断裂特征；低于t ε时，呈韧性断裂特征。
图4-31 B σ和y σ随拉伸速率的变化趋势
3、环境压力的影响
研究发现，对许多非晶聚合物，如PS 、PMMA 等，其脆-韧转变行为还与环境压力有关。
图4-32给出PS 的应力－应变曲线随环境压力的变化情形。
由图可见，PS 在低环境压力（常压）下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低。
随着环境压力升高，材料强度增高，伸长率变大，出现典型屈服现象，材料发生脆-韧转变。
比较图4-29和4-32还可发现，两种脆-韧转变方式有很大差别。
温度升高材料变韧，但拉伸强度明显下降。
升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，材料变得强而韧。
这两种不同的脆-韧转变方式给我们以启发，告诉我们材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。
设计恰当的方法，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强度，实现既增韧又增强。
塑料的非弹性体增韧改性技术就是由此发展起来的（后详）。
图4-32 聚苯乙烯的应力-应变曲线随环境压力的变化（T=31℃）
（三） 强迫高弹形变与“冷拉伸”
已知环境对高分子材料拉伸行为有显著影响，这儿再重点介绍在特殊环境条件下，高分子材料的两种特殊拉伸行为。
1、非晶聚合物的强迫高弹形变
研究聚合物材料拉伸破坏行为时，特别要注意在较低温度下材料被拉伸、屈服、断裂的情形。
对于非晶聚合物，当环境温度处于b T ＜T ＜g T 时，虽然材料处于玻璃态，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分之几百的大变形（参见图4-29中T =80℃，60℃的情形），这种变形称强迫高弹形变。
这种现象既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘流态下的粘性流动。
这是一种独特的力学行为。
现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。
这种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（T ＞g T ）仍可恢复或部分恢复。
强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种“活化”作用。
从链段的松弛运动来讲，提高应力降低了链段在作用力方向上的运动活化能，减少了链段运动的松弛时间，使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。
研究表明，链段松弛时间τ与外应力σ之间有如下关系：。
