高分子材料——5.力学性能-
高分子材料性能测试力学性能
3.1.2 高分子经典应力－应变曲线 I
3.1 拉伸性能
(c)旳特点是硬而强。拉伸强度和弹性模量大，且有合适旳伸长率，如硬聚氯乙烯等。(d)旳特点是软而韧。断裂伸长率大，拉伸强度也较高，但弹性模量低，如天然橡胶、顺丁橡胶等。
3.1 拉伸性能
3.1.2 高分子经典应力－应变曲线 III
(e)旳特点是硬而韧。弹性模量大、拉伸强度和断裂伸长率也大，如聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙等
塑性(Plasticity)：外力作用下，材料发生不可逆旳永久性变形而不破坏旳能力。
Mechanical properties of materials
应 力
应 变
Mechanical properties of materials
3.1 拉伸性能
3.1.1 应力－应变曲线
Байду номын сангаас
高分子应力-应变过程
3.1 拉伸性能
电子万能试验机
3.1 拉伸性能
3.1 拉伸性能
3.1.5 拉伸性能测试原理 拉伸试验是对试样延期纵轴方向施加静态拉伸负荷，使其破坏，经过测量试样旳屈服力、破坏力和试样标距间旳伸长来求得试样旳屈服强度拉伸强度和伸长率。
3.1 拉伸性能
3.1.6 测量方法即实验环节 ①试样旳状态调节和试验环境按国家原则规定。②在试样中间平行部分做标线，示明标距。③测量试样中间平行部分旳厚度和宽度，精确到0.01mm，II型试样中间平行部分旳宽度，精确到0.05mm，测3点，取算术平均值。④夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上下夹具中心连线重合，且松紧适宜。⑤选定试验速度，进行试验。⑥记录屈服时负荷，或断裂负荷及标距间伸长。试样断裂在中间平行部分之外时，此试样作废，另取试样补做。
高分子材料力学性能
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。
高分子物理----高分子的力学性能
一般刻痕试样的冲击强度小于这一数值为脆性断裂，大
于这一数值时为韧性断裂。但这一指标并不是绝对的，
例如玻璃纤维增强的聚酯塑料，甚至在脆性破坏时也有
很高的冲击强度。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
2. 高聚物的理论强度 从分子结构的角度来看，高聚物的断裂要破坏分子 内的化学键，分子间的范德华力与氢键。
7.2 高弹态聚合物的力学性质
加入增塑剂虽然可以降低Tg，但有利条件，因此选
用增塑法来降低Tg必须考虑结晶速度增大和结晶形成的 可能性。
7.2 高弹态聚合物的力学性质
（2）共聚法
共聚法也能降低聚合物的Tg，如：PS的主链上带有体 积庞大的苯基，聚丙烯腈有强极性腈基存在，Tg都在室温 以上，只能作为塑料和纤维使用，如果用丁二烯分别与苯 乙烯和丙烯腈共聚可得丁苯橡胶和丁腈橡胶，使Tg下降。 例如：丁苯30，Tg=-53℃，丁腈26，Tg=-42℃。
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
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
高分子材料的力学性能测试及其应用研究
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。
高分子材料性能
高分子材料性能高分子材料是一类由大量重复单元组成的聚合物材料，具有许多优异的性能，广泛应用于工业、建筑、医疗等领域。
其性能特点主要包括力学性能、热学性能、电学性能、光学性能和耐化学性能等方面。
首先，高分子材料的力学性能表现出较高的强度和韧性。
由于其分子链结构的柔韧性和交联结构的稳定性，使得高分子材料具有较好的抗拉伸、抗压缩和抗弯曲等力学性能。
比如聚乙烯、聚丙烯等塑料材料具有较高的强度和韧性，广泛应用于塑料制品制造领域。
其次，高分子材料的热学性能也备受关注。
高分子材料具有较低的热导率和较高的热膨胀系数，使得其在热绝缘和热膨胀方面表现出良好的性能。
例如聚四氟乙烯具有优异的耐高温性能，被广泛应用于制造高温耐腐蚀的管道、阀门等产品。
另外，高分子材料的电学性能也是其重要特点之一。
许多高分子材料具有较好的绝缘性能和介电性能，被广泛应用于电气绝缘材料和电子器件的制造。
例如聚氯乙烯、聚苯乙烯等塑料材料在电气绝缘领域有着重要的应用。
此外，高分子材料的光学性能也备受关注。
许多高分子材料具有良好的透明性和光学均匀性，被广泛应用于光学器件、光学镜片、光学膜等产品的制造。
例如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等材料在光学领域有着重要的应用。
最后，高分子材料的耐化学性能也是其重要特点之一。
许多高分子材料具有良好的耐腐蚀性能和耐化学介质性能，被广泛应用于化工设备、管道、容器等产品的制造。
例如聚丙烯、聚乙烯等塑料材料在化工领域有着重要的应用。
总之，高分子材料具有多种优异的性能，广泛应用于各个领域。
随着科学技术的不断发展，高分子材料的性能将会不断得到提升，为人类社会的发展进步做出更大的贡献。
高分子材料工程特征的含义
高分子材料工程特征的含义
高分子材料工程特征是指高分子材料在工程中所具有的特性和特点。
这些特征可以影响高分子材料的性能、应用和加工等方面。
以下是一些常见的高分子材料工程特征：
1. 高分子材料的力学性能：高分子材料具有较低的密度和良好的延展性，具有良好的韧性和强度。
这使得高分子材料在许多工程领域中成为理想的材料选择，如汽车零部件、建筑材料等。
2. 高分子材料的热性能：高分子材料具有较低的导热性和较高的绝缘性能，能够在高温或低温环境下保持稳定的性能。
它还可以提供良好的保温和隔热性能，因此在建筑和电子领域得到广泛应用。
3. 高分子材料的化学稳定性：高分子材料对化学品和溶剂具有一定的抵抗能力，能够在各种化学环境中保持稳定性。
这使得高分子材料经常被用作管道、容器和化学品储存设备的材料。
4. 高分子材料的电学性能：高分子材料通常具有良好的绝缘性能和电介质性能，能够在电子和电气工程领域中用作电缆绝缘材料、电子元件封装材料等。
5. 高分子材料的透明性：某些高分子材料具有优异的光学透明性，这使得它们在光学和光电子器件中得到了广泛应用，如显示器、触摸屏等。
6. 高分子材料的可加工性：高分子材料通常具有较低的熔点和
可塑性，可以通过注塑、挤出、吹塑等工艺进行加工和成型。
这使得高分子材料的生产和制造成本相对较低。
总之，高分子材料工程特征的含义是指高分子材料在工程中所具有的性能和特点，这些特征决定了高分子材料在各个工程领域中的应用范围和效果。
高分子材料的力学特性分析
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。
高分子材料的力学性能
4 交联
交联可以提高材料抗蠕变能力，提高断裂强度。
适度交联强度增加；
过度交联将使材料变脆弱
橡胶的拉伸强度与交联剂用量的关系
5 取向
取向使力学性能产生各向异性，在取向方向得到增强 对于脆性材料，平行于取向方向的强度、模量和伸长 率提高，垂直于取向方向的强度和伸长率降低。 对于塑性、易结晶材料，在平行于取向方向的强度、 模量提高，在垂直于取向方向的强度下降，伸长率增大。
锐口的小裂缝甚至比钝口的较大缺陷造成更大的应力 集中
8 填料和增塑剂 惰性填料增强作用： E E0 1 A B
（1+AΦ+BΦ2）倍，这种现象称为体积效应，
2
在较低的填充范围内，填充后的高聚物其弹性模量可提高
也称为增强体积分数。当超出一定的用量范围，拉伸
强度和模量均明显下降
化学键破坏
分子间滑脱
范德华力或
氢键破坏
理论强度的计算
1.化学键
举例：共价键的键能为335～378KJ/mol（5～610-19J/键）
键长1.5埃，两个原子的相互吸引力f＝w/d＝3～410-9N/
键，对聚乙烯分子截面为2010－20m2则可以计算最大理论 强度：21010N/m2，而实际的抗张强度仅为108N/m2。 原因：实际的聚合物达不到那种完全规整的水平，存在应 力集中（杂质，小裂纹，空隙，缺口）的缺点。
0
E Ex h
理论强度
EG0 th 2h p
p
1/ 2
各向同性高聚物，
σb约为E/50~E/100
大多数固体材料的理论E间的关系：
th E 10
表 4-1 实际拉伸强度与理论强度的比较
高分子材料的动态力学性能分析
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。
高分子材料结构与力学性能的研究
高分子材料结构与力学性能的研究高分子材料是一类重要的材料，在工程和科学领域中发挥着重要的作用。
高分子材料的结构和力学性能的研究具有重要的理论和应用价值。
本文将介绍高分子材料的结构和力学性能的研究，包括其原子间力学交互、分子结构和相态行为以及力学性能和临界流变行为等。
1. 高分子材料的原子间力学交互高分子材料的结构复杂，原子间的力学交互是影响高分子材料性质的主要因素之一。
目前，人们使用分子动力学模拟和计算化学的方法来研究高分子材料的原子间力学交互。
这些计算方法可以精确地模拟原子间的相互作用和材料的运动。
高分子材料中原子间的力学交互主要包括键长和键角的变化、分子序列、分子尺寸和电子结构等。
这些参数对高分子材料的力学性能、形变和蠕变等行为都有着重要的影响。
2. 高分子材料的分子结构和相态行为高分子材料的分子结构和相态行为对材料的力学性能也有着重要的影响。
高分子材料的分子结构包括聚合度、极性、分子量、交联度和分子分布等。
这些因素可以影响原子间的力学交互和分子结构的相互作用。
相态行为是高分子材料研究的另一个重要方面。
高分子材料的相态行为包括熔融、玻璃化转变和相分离等。
这些相态行为与高分子材料的分子结构和原子间力学交互紧密相关。
例如，高分子材料的玻璃化转变与分子链间的交错和交联行为有关。
3. 高分子材料的力学性能和临界流变行为高分子材料的力学性能和临界流变行为也是研究的焦点。
高分子材料的力学性能包括弹性模量、拉伸模量、屈服强度和断裂延伸率等。
这些性能与高分子材料的分子结构、原子间力学交互和相态行为有关。
临界流变行为是高分子材料研究的另一个重要方面。
高分子材料的临界流变行为与其结构相互作用和生物材料的流变响应有关。
例如，高分子材料的流变性质可以影响着该材料的生物可持续性和应用领域。
结论高分子材料的结构和力学性能的研究具有重要的理论和实际应用价值。
高分子材料的原子间力学交互、分子结构和相态行为以及力学性能和临界流变行为等方面的研究可以为高分子材料的设计和开发提供重要的理论基础和实验支持。
高分子材料的表征和性能分析
高分子材料的表征和性能分析高分子材料是一种复合材料，它具有很高的强度和可塑性。
它们被广泛应用于各种领域，如医疗、汽车和航空航天等。
因此，对高分子材料的表征和性能分析非常重要。
一、高分子材料的表征高分子材料的表征是指对高分子材料进行物理、化学和结构等性质的分析。
这些性质可以通过一系列的技术手段进行分析和测试。
以下是几种常用的高分子材料表征技术。
1. X射线衍射技术X射线衍射技术可以用来分析高分子材料的晶体结构和分子排列。
在X射线衍射技术中，X射线通过材料，并与材料中的原子和电子相互作用。
这些相互作用导致了衍射模式的产生。
该技术可以确定高分子材料的晶体结构和分子排列方式，以及材料的结晶度、晶体大小和形态等重要信息。
2. 热分析技术热分析技术可以用来确定高分子材料的热性质，如玻璃化转变温度、热稳定性和热分解温度等。
这些性质对于高分子材料的应用十分重要。
热分析技术包括差示扫描量热法（DSC）、热重分析法（TGA）和动态机械热分析法（DMA）等。
3. 光谱学技术光谱学技术可以用来分析高分子材料的结构和组成。
其中最常用的技术是傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）和拉曼光谱技术。
这些技术可以提供高分子材料的分子结构、官能团和原子组成等信息。
4. 光学显微镜技术光学显微镜技术可以用来观察高分子材料的表面形态和微观结构。
这些技术包括普通光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等。
这些技术可以提供高分子材料的表面形貌、尺寸和形态等信息。
二、高分子材料的性能分析高分子材料的性能分析主要包括力学性能、热性能和电性能等。
这些性能可以通过一系列测试和分析方法来进行评估。
1. 力学性能分析力学性能分析是对高分子材料的强度、刚度、延伸能力和韧性等性能的评估。
其中最常用的技术是拉伸试验、压缩试验、弯曲试验和冲击试验等。
通过这些试验可以确定高分子材料的拉伸模量、弹性模量、断裂强度、断裂伸长和吸收能力等性能。
下列关于高分子的物理力学
下列关于高分子的物理力学
以下是关于高分子的物理力学的一些信息：
1. 弹性力学：高分子材料表现出弹性行为，当外加应力作用于材料时，它们会发生变形，但当外力消除时，它们会恢复到原始形状。
材料的弹性行为受到分子链的解旋和重新排列的影响。
2. 塑性力学：高分子材料也可以表现出塑性行为，即当外力作用时，它们会发生永久性变形。
分子链的断裂和滑移是导致塑性变形的原因。
3. 粘弹性：高分子材料常常表现出介于弹性和塑性之间的粘弹性行为，即它们同时具有弹性和塑性特性。
这种粘弹性行为常常与分子链两端的交联作用有关。
4. 碎裂力学：当高分子材料受到较大的应力时，它们可能会发生断裂。
研究高分子材料的断裂力学可以帮助我们了解它们的强度和耐久性。
5. 力学性能：高分子材料的力学性能取决于其分子链的结构和排列方式。
通过改变分子链的长度、交联程度和有序性，可以调控材料的强度、硬度、韧性和刚度等力学性能。
6. 力学测试：为了研究高分子材料的力学行为，常常进行拉伸、压缩、弯曲等力学测试。
这些测试可以测量材料的应力-应变
关系、弹性模量、强度和断裂韧性等参数。
这些是关于高分子的物理力学的一些基本概念和研究方向。
高分子的物理力学研究对于材料工程、新材料开发和应用等领域具有重要意义。
高分子材料力学性能
曲线3：宾汉流体
D、触变性流体：t延长，粘度迅速下降； （例：重防腐涂料中的应用）
震凝性流体：反之
一、高聚物的流动性
§5.1 力学性能
1、第一牛顿区 2、第二牛顿区
一、高聚物的流动性
§5.1 力学性能
2、与结构的关系 （η、 Tf 、非牛顿性 ）
解缠能力
1）分子量：
分子量越大，粘度越大， Tf 越高， 非牛顿性越大
4）粘弹模型 ： 建立模型－－模拟曲线－－得到参数
理想粘壶＋理想弹簧
分子运 动
并联
串联
Kelvin 模型 描述蠕变
Maxwell模型 描述应力松弛
三、粘弹性
§5.1 力学性能
三、粘弹性
§5.1 力学性能
2、动态粘弹性 （滞后）
• 滞后：一定温度下，受交变的应力，形变随时
间的变化跟不上力随时间的变化
银纹化过程
裂缝
4）分子间作用力： 越大： 四 屈服、强度与断裂
一Tf 越定高，的粘度温越高度， 、一定的拉伸速度下，观察应力随应
变的变化曲线 5
ΔV= 0
柔性越大，Tf 越低， 非牛顿性越大（粘度对剪切的敏感性大）
相比较而言
2、力学强度 不同力学要求如何选材？
3、强度与结构的关系 明显的松弛过程－－时间依赖性
弯曲形变较小时的载荷与挠度
• 抗冲击强度 （韧性） σi=W/bd （kJ/m2)
2、力学强度
§5.1 力学性能
四屈服、强度与断裂
2） 理论强度》 实际强度，σ实=（1/100～1/1000 )σ理 而模量接近 原因：缺陷(裂缝、结构的不均一性）
3）强度理论： • 应力集中： • Griffith表面能理论 （脆性材料）
高分子材料的力学性能
（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。）
高分子材料的力学性能分析
高分子材料的力学性能分析高分子材料是一类广泛应用于各个行业的材料，具有重要的地位和作用。
高分子材料的力学性能对于其应用的稳定性和可靠性具有至关重要的影响。
因此，对高分子材料的力学性能进行分析和评估是非常重要的工作。
首先，我们来了解高分子材料的力学性能包括哪些方面。
高分子材料的力学性能主要包括强度、韧性和刚性等方面。
强度是指高分子材料在受力作用下抵抗断裂的能力，通常用抗拉强度来表示。
韧性是指高分子材料能够在受力作用下发生可逆性变形的能力，通常用断裂伸长率和冲击韧性来表示。
刚性是指高分子材料在受力作用下不发生可逆性变形的能力，通常用弹性模量来表示。
这些力学性能指标可以通过一系列测试方法得到。
其次，我们来探讨高分子材料力学性能分析的方法和工具。
力学性能分析需要使用一些专业的测试设备和仪器，例如拉伸试验机、冲击试验机、扭转试验机等。
这些设备可以通过施加不同方向和大小的外力来评估高分子材料的不同力学性能。
通过这些测试方法，我们可以得到高分子材料的力学性能曲线，从而分析和评估其力学性能特点。
在力学性能分析中，我们还需要考虑高分子材料的成分和结构对力学性能的影响。
高分子材料通常是由分子链组成的，分子链的结构和排列方式对力学性能具有重要影响。
例如，聚合度高的高分子材料有较高的强度，分子链的交联程度高的高分子材料有较高的韧性。
此外，添加剂和填充物的使用也可以改善高分子材料的力学性能。
例如，加入增强纤维可以提高高分子材料的强度和刚性。
在实际应用中，高分子材料的力学性能要符合特定的要求。
不同行业和领域对于高分子材料的力学性能要求各不相同。
例如，在汽车工业中，要求高分子材料具有较高的刚性和耐热性，以保证车身的稳定性和安全性。
在医疗行业中，要求高分子材料具有较高的耐腐蚀性和生物相容性，以确保医疗器械的安全和有效性。
因此，在力学性能分析中，我们需要将高分子材料的特定要求考虑进去，以便更好地满足实际应用的需求。
最后，力学性能分析的结果对于改进高分子材料的性能和设计优化具有重要意义。
2019高分子科学基础-高分子材料力学性能
3.滞后效应
轮胎某处所受应力随时间的变化 σ(t) =σ0 sinωt
轮胎受力相应处的形变随时间变化 ε(t)=ε0 sin(ωt –δ)
形变发展落后于应力，有一相位差 相位差越大，表明链段运动越困难，越跟不上外力的变化。
聚合物的滞后与其结构和外界条件有关
•刚性分子滞后现象不明显，柔性分子滞后现象严重
与应变同相位，幅值为σ0cosδ，是弹性形变的动力
与应变相差90o，幅值为σ0sinδ，消耗于克服摩擦阻力
E’=(σ0 /ε0 ) cosδ E”=(σ0 /ε0 ) sinδ
储能模量（实数模量） 损耗模量（虚数模量）
σ(t)= ε0 E’ sinωt +ε0 E” cosωt
动态力学松弛的弹性模量 E* = E’+ iE” （i = (–1)1/2）
logαT = –17.44(T–Tg) /(51.6+T–Tg)
聚合物的应力—应变曲线的五种类型
曲线下面积表示韧性强度
——使材料破裂所需的能量
硬
软 类型 软而弱 软而韧 硬而脆 硬而强 硬而韧
强 形变难易(模量大小)；
弱
形变产生 屈服现象
易
有
易
有
难
无
难
有
难
有
断裂强度高低;
σε 低中 中大 中小 高中 高大
脆 断裂伸长大小
韧 实例
凝胶，低分子量树脂 橡胶，软PVC，LDPE PS，PMMA 硬PVC 尼龙，PC
2019高分子科学基础-高分子材料力学性能
一、玻璃态和结晶态聚合物的力学性能
1.形变类型和描述力学行为的基本物理量
外力 材料内在微观分子运动 外在宏观力学性质（形变、应力、模量）
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εt ≺ 0
一般材料ν约为0.2~0.5 注意!上述四个参数中只有两个是独立的
不同材料的泊松比
材料名称 锌 钢 铜 铝 铅 汞 泊松比 0.21 0.25~0.35 0.31~0.34 0.32~0.36 0.45 0.50 材料名称 玻璃 石料 聚苯乙系 聚乙烯 赛璐珞 橡胶类 泊松比 0.25 0.16~0.34 0.33 0.38 0.39 0.49~0.50
2 —2 玻璃态非晶高聚物的拉伸
决定脆或韧的因素之一
227K
温度 σ(MPa)
293K 303K 313K
323K 333K 0 10 20
ε
30
2 —2 玻璃态非晶高聚物的拉伸
<2> 拉伸速率的影响 断裂强度 拉伸速率 相当于温度 断裂伸长率 拉伸速率 相当于温度
决定脆或韧的因素之二 不同应变速率下聚氯乙烯的应力-应变曲线 应变速率
常见塑料的拉伸和弯曲强度
塑料名称 低压聚乙烯 聚苯乙烯 ABS塑料 塑料 有机玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 尼龙66 尼龙66 尼龙6 尼龙 尼龙1010 尼龙 聚甲醛 聚碳酸酯 聚砜 聚酰亚胺 拉伸强度 （MPa） 22～39 35.2～63.3 16.9～63.3 49.2～77.3 33.7～42.2 35.2～63.3 83 74～78 52～55 62～68 67 72～85 94.5 伸长率 % 60～150 12～25 10～140 2～10 200～700 20～40 60 150 100～250 60～75 60～100 20～100 68 拉伸模量 （GPa） 0.84～0.95 2.8～3.5 0.7～2.9 3.2 1.2～1.4 2.5～4.2 3.2 3.3 3.2～3.3 2.6 1.6 2.8 2.2～2.4 2.5～2.9 弯曲强度 （MPa） 25～40 61.2～98.4 25.3～94.9 91.4～119 42.2～56.2 70.3～112 100 110 100～110 100 89 91～92 98～106 108～127 ＞100 2.9 3.0 2.9～3.0 2.4～2.6 1.3 2.6 2.0～3.0 2.8 3.2 1.2～1.6 3.0 弯曲模量 （GPa） 1.1～1.4
常用的几种力学强度
• 拉伸强度σt= P/bd （最大负荷/截面积)Mpa 拉伸强度σt= 最大负荷/截面积) 1 Mpa = 9.8 kg/cm2 ≈ 10 kg/cm2 • 弯曲强度 σf = 1.5(Plo/bd) MPa
• 冲击强度 σi = W/bd Kg cm/cm2 注意!不同方法测量结果会有不同
第五章 高聚物的力学性能
§5.1 概述 1-1 描述力学性能的基本物理量 1-2 高聚物力学性能的特点 §5.2 高聚物的拉伸行为 2-1 应力应变曲线 2-2 玻璃态非晶高聚物的拉伸 2-3 结晶高聚物的拉伸 2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据 §5.3 高聚物的强度 3-1 拉伸强度 3-2 冲击强度
比强度——单位重量材料能承受的 最大负荷
几种金属材料和塑料(增强) 几种金属材料和塑料(增强)的比强度
材 料 名 称
高级合金钢 A3钢 铝合金 铸铁 聚乙烯 尼龙66 玻璃增强尼龙66 聚酯玻璃钢 环氧玻璃钢 酚醛玻璃钢 玻璃增强聚碳酸酯 玻璃增强聚乙烯 玻璃增强聚丙烯 玻璃增强聚苯乙烯 玻璃增强聚砜 玻璃增强ABS
§5.1概述 5.1概述
1-1 描述力学性质的基本物理量
应力;应变 形变 模强度;硬度等 应力 应变(形变 模强度 硬度等 应变 形变);模强度 拉伸强度(断裂强度 断裂伸长率ε 断裂强度)σ;断裂伸长率 拉伸强度 断裂强度 断裂伸长率ε 三种基本的应变类型 简单拉伸 简单剪切 均匀压缩
三种基本应变的模量
比强度
160 50 160 32 31.6 74.1 143 160 280 115 92.9 57.3 50.8 64.6 86.9 97.8
§5.2 高聚物的拉伸行为
应力σ 应变ε 2—1 应力σ ～应变ε曲线
最常用于描述高聚物的力学性能 应力～应变曲线的形状取决于: 应力～应变曲线的形状取决于:
<1>高聚物的理论强度
• 次价力破坏——局部破坏 次价力破坏——局部破坏 ——
◘ 氢键解离能 ~ 20 kJ/mol 作用距离 ~3A
比 重
8.0 7.85 2.8 7.4 0.95 1.12 1.3～1.5 1.8 1.73 1.75 1.4 1.1 1.05～1.24 1.2～1.3 1.45 1.23～1.36
拉伸强度（MPa） 拉伸强度（
1280 400 420 240 30 83 98～218 290 500 200 120～130 63 42～63 63～84 126 59～133
结晶聚合物冷拉模型
真应力2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据
• 拉伸形变时截面积生变化 使 • 若形变时体积不发生变化则有 • 令:伸长比 伸长比 • 则有 则有:
A olo Ao A= = l 1+ ε
/
σ<σ
/
A o l o = Al
l lo + ∆ l λ= = = 1+ ε lo lo
F F (1 + ε ) σ = = = σ (1 + ε ) A Ao
真应力2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据
• 按照定义 屈服点为 按照定义:屈服点为 • 则有 则有:
dσ =0 dε σ/ d 1+ ε =0 ∴ dε
/
dσ −2 / −1 d σ = −(1 + ε ) σ + (1 + ε ) =0 dε dε d σ/ σ/ σ/ ∴ = = d ε 1+ ε λ
三种基本应变的模量
• 压缩:
体积模量 B (Kg) P ―流体静压力 ΔV ―体积变化 VO ―原始体积
P B= ∆V V0
三种应变模量的关系
对于各向同性的材料有 E = 2G (1+ν) = 3B (1-2 ν) ν(泊松比):横向形变与纵向形变之比
∆m γ=−
(横向形变 ) − ε m0 t = ∆ℓ (纵向形变 ) ε ℓ
拉断一根键的力: 达因/ * 拉断一根键的力: F=E/d≈4*10-4达因/键
<1>高聚物的理论强度
• 化学键破坏
PE的理论强度 的理论强度 晶胞计算得每cm 由PE晶胞计算得每 2有~5*1014根分子链 晶胞计算得每 5*10 达因/ ∴σ≈ (4*10-4达因/键)*(5*1014键/cm2) ≈ 2*105 kg/cm2 的实际强度: 200~400 PE 的实际强度: 200 400 kg/cm2
σ ~ε
/
为
曲线上屈线的斜率
真应力2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据
当
σ / = 0 时 1 + ε = 0 ∴ ε = −1 (或λ = 0)
§5.3
高聚物的强度
3-1 拉伸强度 <1>高聚物的理论强度 化学键破坏 高聚物拉断 分子间滑脱 次价力破坏
<1>高聚物的理论强度
• 化学键破坏 化学键破坏——分析思路
1-2
高聚物力学性能的特点
• 粘弹性 粘弹性——力学行为对温度和时间 力学行为对温度和时间 有强烈的依赖关系
为高聚物独特的力学行为 σ（应力） （应力） ε（应变） 在研究高聚物力学行为 （应变） T（温度） 时必须同时考虑 （温度） t（时间） （时间）
1-2
高聚物力学性能的特点
• 比强度特高
2—3 结晶高聚物的拉伸
曲线可分为三个阶段 • 试样均匀拉伸应力随应变线性 至Y • 出现”细径”并不断扩展 应力几乎恒定 出现”细径”并不断扩展, • 成径后继续均匀拉伸 应力 直至断裂 成径后继续均匀拉伸,
2-3 结晶高聚物的拉伸
• 分子机理:发热软化理论 分子机理:
◘ 外力作用 ◘ 缩径区分子链取向 ◘ 构象熵 S 减小 , ∆S<0 放热 ◘ 缩径区附近温度↑ 缩径区附近温度↑ ◘ 屈服强度↓ 屈服强度↓ ◘ 容易变形使缩径进一步扩大
共价键的键能 每根键的键能 拉断一根键的力 拉断单位面积的力(拉断强度) 拉断单位面积的力(拉断强度)
键的键能U: 350千焦 千焦/ * C-C键的键能U: 350千焦/克分子 每根键的键能: 尔格/ * 每根键的键能: E=U/N≈6*10-12尔格/键 ɺ * 共价键的原子位移: d ≤ 1 ⋅ 5 A 共价键的原子位移:
ΔE: 活化能 σ:外力 α: 材料常数 τ: 松弛时间 R : 气体常数 T : 温度
ห้องสมุดไป่ตู้
无定形聚合物的冷拉
冷拉过程又称强迫高弹形变，发生取向 Tg以下形变不可逆，保持取向状态 加热到Tg以上发生解取向，形变可部分恢复
• 出现条件
屈服应力σ 屈服应力 Y > 断裂应力σ 断裂应力 X 温度范围 Tb<T<Tg Tb为脆化温度 拉伸速率适当
stress PVC (23°C)
50%/min 5%/min 0.5%/min 0.05%/min
Strain
2 —2 玻璃态非晶高聚物的拉伸
<3> 受迫高弹态 有些玻璃态高聚物在大应力作用下 能产生大的形变(高弹形变) 能产生大的形变(高弹形变) • 产生原因:外力使链段运动松弛时间 产生原因 原因:
化学结构 化学组成 ,结构 分子量及其分布 支化交联 结局及取向 晶区大小与形状 加工形态
物理结构
温度、 试验测试条件——温度、速率等
典型的σ～ε曲线
12 10 σ, 1000 psi 8 6 4 2 0 0 1 2 3 ε 4 5
1psi = 6890Pa
注意细颈 现象