高分子材料的力学状态.pptx

运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
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Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
（2）力学特征：形变量很大（流动）
形变不可逆
模量极小
（3）Tf与摩尔平均质量有关
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2.1 高分子材料的力学状态
材料受力方式的基本类型
F
A0
A
A0
l0
l
F
F Dl
F
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
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2.2 高分子材料的力学性能
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
F
扭转
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2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
Strain softening 应变软化 B
B Y
Y
N
D
A A
plastic deformation
塑性形变
Strain hardening 应变硬化
E D A D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）
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2.2 高分子材料的力学性能
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2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
实例
PS
硬PVC
PMMA 酚醛树脂
增韧EP
PC ABS HDPE
硫化橡胶 未硫化橡胶
软PVC
齐聚物
软~硬：模量 强~弱：拉伸强度 韧~脆：断裂能
形变可逆，一个松弛过程
（3）常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料。
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分子运动特点之一：时间依赖性
物质从一种平衡状态
外场作用下 通过分子运动
与外界条件相适 应的另一种平衡状态
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
2+3
2 高弹形变ε2
1
3
运动单元：链段 形变特点：形变量大，与时间有关，可逐
t
渐回复
图2-6 线形非晶态聚合物
的蠕变及回复曲线
粘性流动ε3
运动单元：分子链 第形2变8页特/共点35页：不可逆形变
2.2 高分子材料的力学性能
蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力。 提高材料抗蠕变性能的途径:
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感谢您的观看。
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2.2 高分子材料的力学性能
高弹性
高弹态聚合物最重要的力学
性能
聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特
的力学性质，又称橡胶弹性。
高弹性的特点：
弹性模量小；
橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa
形变量很大；
形变量一般～500%，可达1000%。普通金属材料的形 变量＜1％
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2.2 高分子材料的力学性能
温度升高，弹性模量增大 ； 温度，链段运动加剧，回缩力，维持相同形变所需
的作用力 抵抗变形的能力升高。 高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性
高弹形变时分子运动需要时间
形变过程有明显的热效应
结晶聚合物的力学三态及其转变
结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 轻度结晶聚合物
晶区起交联点作用。温度，非晶区进入高弹态， 整个材料具有韧性和强度。
结晶度>40% 晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象。
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2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩 尔平均质量。
聚合物最重要的力学性能 之一
外力作用时，同时发生高弹变形和粘性流动。
Figure 2.5 Various types of strain response to an imposed stress.
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2.2 高分子材料的力学性能
F
力学松弛
蠕变 ：温度、应力一定，随时
静态粘弹性
间的延长形变增加。
（2）力学特征：形变量小(0.01 ～ 1%)，模量高(109 ～ 1010 Pa)。 形变与时间无关，呈普弹性。
（3）常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料。
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高弹态
Tg ～Tf
（1）分子运动机制：链段“解冻”，可以运动
形变量大，100-1000﹪ （2）力学特征： 模量小，105-107Pa
不呈现高弹态
呈现高弹态
图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线
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2.1 高分子材料的力学状态
问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？
Cross-linked 交联
Network（3D） 网状
答案：不出现粘流态。
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2.1 高分子材料的力学状态
玻璃化转变现象及Tg的重要性
自由体积理玻论璃化转变是高聚物的一种普遍现象。 发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能： T>Tg 时高聚物处于高弹态（弹性体） T<Tg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）
塑料的摩擦系数小，有些塑料具有自润滑性能。
具有粘弹性
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2.2 高分子材料的力学性能
表2.1 几种材料的机械强度
材料名称
高级合金钢 铝合金 铸铁 聚乙烯 尼龙66 玻璃增强尼龙66 环氧玻璃钢 玻璃增强聚乙烯
比重
8.0 2.8 7.4 0.95 1.12 1.3～1.5 1.73 1.1
行为
聚合物粘弹性
应力松弛 ：温度、形变一定，应力 随时间延长而减小。
滞后
动态粘弹性
自学
力学损耗（内耗）
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图2.6 蠕变、应力松弛示意图.
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2.2 高分子材料的力学性能
蠕变过程包括 三种形变
1
普弹形变ε1
运动单元：键长、键角 形变特点：形变量小，与时间无关，形变
可完全回复
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
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电子万能材料试验机
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
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2.2 高分子材料的力学性能
Point of elastic limit 弹性极限点
Yielding point 屈服点
Breaking point 断裂点
a. 聚合物玻璃化温度高于室温； b. 聚合物分子链含有苯环等刚性链； c.交联:可以防止分子间的相对滑移。
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2.2 高分子材料的力学性能
高分子材料的力学性能特点
强度低，比强度高;
高弹变形率为100%～1000%
高耐磨性；
弹性模量仅为～1MPa
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2.3 高分子材料的性能特点
较易老化。
高分子材料在贮存、使用过程中，由于自身结构， 或受光，热，氧，机械力、生物侵蚀等影响，性能 逐渐变坏，直至丧失使用价值的现象。
防止老化措施： ☺ 改变自身结构； ☺ 加入防老化剂； ☺ 表面处理：镀金属或涂抗老化涂料。
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弹性体：拉伸——放热 回缩——吸热
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2.2 高分子材料的力学性能
高弹性的本质
熵弹性
高弹性由熵变引起
拉伸弹性体时外力所做的功
主要转为高分子链构象熵的减小
体系为热力学不稳定状态
去除外力体系回复到初始状态
热力学第一定 律
热力学第二定 律
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2.2 高分子材料的力学性能
粘弹性
2.1 高分子材料的力学状态
气态 物质的力学三态 液态
固态
温度增加
聚合物力学状态具有特殊性。原因：
没有气态； 具有非晶态； 结晶具有不完善性。
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2.1 高分子材料的力学状态
线型无定形聚合物的力学三态及其转变
热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意 等速升温
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2.1 高分子材料的力学状态
弯曲强度 冲击强度
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2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变
应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时其 几何形状和尺寸所发生的变化。
材料
外力作
用 发生形变
材料欲保持原
状
产生附加内力
外力卸载
内力使形变回复并自行逐步消除
应力：单位面积上的内力。
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2.2 高分子材料的力学性能
作业：
一、名词术语解释 1、结晶度 2、玻璃化转变温度（Tg） 3、粘流温度（Tf） 4、应变 5、蠕变
二、简答 1、高弹性为什么又称为熵弹性？ 2、简要阐述聚合物的粘弹性。 3、描述高分子材料的软硬、强弱和韧脆的指标分别是什么？ 4、请说明非晶态聚合物力学三态的运动单元。
三、论述题 1、画出塑料材料的应力应变曲线，并对其进行描述？ 2、高分子材料的使用温度同玻璃化转变温度有什么关系？
Tg是决定材料使用范围的重要参数： Tg 是橡胶的最低使用温度 Tg 是塑料的最高使用温度
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2.2 高分子材料的力学性能
表征材料力学性能的基本指标
应力-应变 弹性模量 - 拉伸（杨氏）模量
剪切（刚性）模量 硬度 体积（本体）模量 机械强度 - 拉伸（抗张）强度
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg ）；
高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（Tf）
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2.1 高分子材料的力学状态
Tg
Tf
Td
玻璃态
T<T
g
（1）分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动。
拉伸强度（MPa）
1280 420 240 30 83 98～218 500 63
比强度
160 160 32 31.6 74.1 143 280 57.3
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2.3 高分子材料的物化性能特点
高绝缘性； 聚合物高电阻率 可能积累大量静电荷
低耐热性；通用高分子材料的耐热温度 < 200℃ 低导热性：金属的1/500-1/600 高热膨胀性：比金属大3-10倍 高化学稳定性；