第7章 聚合物的极限力学性能
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7.3聚合物的力学性质
5. 晶态聚合物拉伸时的应力－应变曲线
球晶
变形球晶
从球晶晶 由微纤组
片中抽出 成的伸直
微纤
链结晶
图7-42 结晶态聚合物拉伸时构象变化的示意图
5. 晶态聚合物拉伸时的应力－应变曲线
冷拉和细颈化：象毛线从毛衣中抽出，不需要多少力
7.3.1 表征力学性能的基本指标
玻璃态和晶态聚合物的拉伸过程本质上都 属高弹形变。在玻璃态聚合物中拉伸只使分 子链发生取向；而在晶态聚合物中拉伸伴随 着聚集态的变化，包含结晶熔化、取向、再 结晶。
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。
4.玻璃态聚合物的应力－应变曲线
σ
σ
ε （3）
ε （4）
（3）材料硬而韧：具高模量和抗张强度，断裂伸长率较 大，材料受力时，属韧性断裂。
σb
B
x
应 力
σy
应变
εb
玻璃态聚合物的应力-应变曲线
材料在屈服点之间发生的断裂称为脆性断裂；在屈服点 后发生的断裂称为韧性断裂。
在屈服点后出现的较大应变在移去外力后是不能复原 的。但是如果将试样温度升到其Tg附近，该形变则可完全 复原，因此它在本质上仍属高弹形变，并非粘流形变，是 由高分子的链段运动所引起的。－－强迫高弹形变
7.3.1径
（1）有利因素
（i）聚合物自身的结构：主链中引入芳杂环，可增加 链的刚性，分子链易于取向，强度增加；适度交联，有 利于强度的提高。
（ii）结晶和取向：结晶和取向可使分子链规整排列，增加 强度，但结晶度过高，可导致抗冲强度和断裂伸长率降 低，使材料变脆。
关于高分子物理习题答案
高分子物理习题答案第一章高分子链的结构3．高分子科学发展中有二位科学家在高分子物理领域作出了重大贡献并获得诺贝尔奖，他们是谁？请列举他们的主要贡献。
答：（1）H. Staudinger（德国）：“论聚合”首次提出高分子长链结构模型，论证高分子由小分子以共价键结合。
1953年获诺贝尔化学奖。
贡献：（1）大分子概念：线性链结构（2）初探[?]=KM?关系（3）高分子多分散性（4）创刊《die Makromol.Chemie》1943年（2）P. J. Flory（美国），1974年获诺贝尔化学奖贡献：（1）缩聚和加聚反应机理（2）高分子溶液理论（3）热力学和流体力学结合（4）非晶态结构模型6．何谓高聚物的近程（一级）结构、远程（二级）结构和聚集态结构？试分别举例说明用什么方法表征这些结构和性能，并预计可得到哪些结构参数和性能指标。
答：高聚物的一级结构即高聚物的近程结构，属于化学结构，它主要包括链节、键接方式、构型、支化和交联结构等，其表征方法主要有：NMR, GC, MS, IR, EA, HPLC, UV等。
而高聚物的二级结构即高聚物的远程结构，主要包括高分子链的分子量、分子尺寸、分子形态、链的柔顺性及分子链在各种环境中所采取的构象，其表征方法主要有：静态、动态光散射、粘度法、膜渗透压、尺寸排除色谱、中子散射、端基分析、沸点升高、冰点降低法等。
高聚物的聚集态结构主要指高分子链间相互作用使其堆积在一起形成晶态、非晶态、取向态等结构。
其表征方法主要有：x-射线衍射、膨胀计法、光学解偏振法、偏光显微镜法、光学双折射法、声波传播法、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、核磁共振，热分析、力学分析等。
8．什么叫做高分子的构型？试讨论线型聚异戊二烯可能有哪些不同的构型。
答：由化学键所固定的原子或基团在空间的几何排布。
1，2：头-头，全同、间同、无规；头-尾，全同、间同、无规3，4：头-头，全同、间同、无规；头-尾，全同、间同、无规1，4：头-头，顺、反；头-尾，顺、反9．什么叫做高分子构象？假若聚丙烯的等规度不高，能不能用改变构象的办法提高其等规度？说明理由。
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。
高分子物理课件四川大学杨刚第七章聚合物的力学性能
度
冲击强度：测 量聚合物在冲 击作用下的强
度
压缩强度：测 量聚合物在压 缩作用下的强
度
剪切强度：测 量聚合物在剪 切作用下的强
度
疲劳强度：测 量聚合物在反 复加载和卸载 作用下的强度
聚合物强度的提高方法
增加聚合物的分子量
提高聚合物的结晶度
加入增强材料，如玻璃纤维、 碳纤维等
改变聚合物的分子结构，如引 入支链、交联等
影响因素：温度、湿度、光照、 化学物质等
老化机理：氧化、降解、交联 等
表征方法：力学性能测试、热 分析、光谱分析等
老化性能的评价：抗拉强度、 抗冲击强度、耐磨性等
感谢您的观看
汇报人：
聚合物应力应变曲线的特征
应力-应变曲线分为线性弹性区、屈服区、强化区和颈缩区 线性弹性区：应力与应变成正比，弹性模量E表示 屈服区：应力不再增加，应变继续增加，屈服应力σy表示 强化区：应力与应变不再成正比，应力达到最大值σmax 颈缩区：应力下降，应变继续增加，直至断裂
聚合物应力应变行为的影响因素
影响聚合物弹性模量的因素
聚合物分子量：分子量越大，弹性模量 越高
聚合物分子结构：线性聚合物弹性模量 较高，支链聚合物弹性模量较低
聚合物结晶度：结晶度越高，弹性模量 越高
温度：温度越高，弹性模量越低
湿度：湿度越高，弹性模量越低
应力状态：应力状态不同，弹性模量也 不同
聚合物弹性模量的测量方法
拉伸试验：通过拉伸试样，测量其应力应变曲线，计算弹性模量
剪切试验：通过剪切试样，测量其应力应变曲线，计算弹性模量
压缩试验：通过压缩试样，测量其应力应变曲线，计算弹性模量
动态力学分析：通过测量试样的振动频率 性模量
冲击强度：测 量聚合物在冲 击作用下的强
度
压缩强度：测 量聚合物在压 缩作用下的强
度
剪切强度：测 量聚合物在剪 切作用下的强
度
疲劳强度：测 量聚合物在反 复加载和卸载 作用下的强度
聚合物强度的提高方法
增加聚合物的分子量
提高聚合物的结晶度
加入增强材料，如玻璃纤维、 碳纤维等
改变聚合物的分子结构，如引 入支链、交联等
影响因素：温度、湿度、光照、 化学物质等
老化机理：氧化、降解、交联 等
表征方法：力学性能测试、热 分析、光谱分析等
老化性能的评价：抗拉强度、 抗冲击强度、耐磨性等
感谢您的观看
汇报人：
聚合物应力应变曲线的特征
应力-应变曲线分为线性弹性区、屈服区、强化区和颈缩区 线性弹性区：应力与应变成正比，弹性模量E表示 屈服区：应力不再增加，应变继续增加，屈服应力σy表示 强化区：应力与应变不再成正比，应力达到最大值σmax 颈缩区：应力下降，应变继续增加，直至断裂
聚合物应力应变行为的影响因素
影响聚合物弹性模量的因素
聚合物分子量：分子量越大，弹性模量 越高
聚合物分子结构：线性聚合物弹性模量 较高，支链聚合物弹性模量较低
聚合物结晶度：结晶度越高，弹性模量 越高
温度：温度越高，弹性模量越低
湿度：湿度越高，弹性模量越低
应力状态：应力状态不同，弹性模量也 不同
聚合物弹性模量的测量方法
拉伸试验：通过拉伸试样，测量其应力应变曲线，计算弹性模量
剪切试验：通过剪切试样，测量其应力应变曲线，计算弹性模量
压缩试验：通过压缩试样，测量其应力应变曲线，计算弹性模量
动态力学分析：通过测量试样的振动频率 性模量
关于高分子物理习题答案
高分子物理习题答案第一章高分子链的结构3．高分子科学发展中有二位科学家在高分子物理领域作出了重大贡献并获得诺贝尔奖，他们是谁？请列举他们的主要贡献。
答：（1）H. Staudinger（德国）：“论聚合”首次提出高分子长链结构模型，论证高分子由小分子以共价键结合。
1953年获诺贝尔化学奖。
贡献：（1）大分子概念：线性链结构（2）初探[?]=KM?关系（3）高分子多分散性（4）创刊《die Makromol.Chemie》1943年（2）P. J. Flory（美国），1974年获诺贝尔化学奖贡献：（1）缩聚和加聚反应机理（2）高分子溶液理论（3）热力学和流体力学结合（4）非晶态结构模型6．何谓高聚物的近程（一级）结构、远程（二级）结构和聚集态结构？试分别举例说明用什么方法表征这些结构和性能，并预计可得到哪些结构参数和性能指标。
答：高聚物的一级结构即高聚物的近程结构，属于化学结构，它主要包括链节、键接方式、构型、支化和交联结构等，其表征方法主要有：NMR, GC, MS, IR, EA, HPLC, UV等。
而高聚物的二级结构即高聚物的远程结构，主要包括高分子链的分子量、分子尺寸、分子形态、链的柔顺性及分子链在各种环境中所采取的构象，其表征方法主要有：静态、动态光散射、粘度法、膜渗透压、尺寸排除色谱、中子散射、端基分析、沸点升高、冰点降低法等。
高聚物的聚集态结构主要指高分子链间相互作用使其堆积在一起形成晶态、非晶态、取向态等结构。
其表征方法主要有：x-射线衍射、膨胀计法、光学解偏振法、偏光显微镜法、光学双折射法、声波传播法、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、核磁共振，热分析、力学分析等。
8．什么叫做高分子的构型？试讨论线型聚异戊二烯可能有哪些不同的构型。
答：由化学键所固定的原子或基团在空间的几何排布。
1，2：头-头，全同、间同、无规；头-尾，全同、间同、无规3，4：头-头，全同、间同、无规；头-尾，全同、间同、无规1，4：头-头，顺、反；头-尾，顺、反9．什么叫做高分子构象？假若聚丙烯的等规度不高，能不能用改变构象的办法提高其等规度？说明理由。
关于高分子物理习题答案
已知粘级分编号重量分数wj009018236003600450078036709159701290054046104645501950090571470705026701040752273580364016409633642240498010613155102420633018417587257030778003421412008590887100096251154678095210400502329015074402513320352028504528839055399406555391075775140851045350951356752?今有一组聚砜标样以二氯乙烷为溶剂在25c测定gpc谱图其分子量m与淋岀体积x10385274220106712450ve序数182182185208218236x10255195129075051级分编号重量分数wj级分编号重量分数wj009001801640960078036010613100540460184175009005700342140104075100096251ve序数250264277292296由表中数据作logmve标定曲线求岀该色谱柱的死体积vo和分离范围bve中的常数a和b
聚合物
溶剂
温度（℃）
A×104（nm）
聚丙烯（无规 ）
环已烷、甲苯
30
835
1.76
答：
第二章高分子的聚集态结构
2．完全非晶的聚乙烯的密度a＝0.85克/厘米3，如果其内聚能为8.55千焦/摩尔重复单元，试计算它的内聚能密度。
答：
4．试从等规聚丙烯结晶（型）的晶胞参数（a = 6.65Å，b = 20.96Å，c = 6.50 Å，= 99°20′，N= 4，链构象H31）出发，计算完全结晶聚丙烯的比容和密度。
聚合物
溶剂
温度（℃）
A×104（nm）
聚丙烯（无规 ）
环已烷、甲苯
30
835
1.76
答：
第二章高分子的聚集态结构
2．完全非晶的聚乙烯的密度a＝0.85克/厘米3，如果其内聚能为8.55千焦/摩尔重复单元，试计算它的内聚能密度。
答：
4．试从等规聚丙烯结晶（型）的晶胞参数（a = 6.65Å，b = 20.96Å，c = 6.50 Å，= 99°20′，N= 4，链构象H31）出发，计算完全结晶聚丙烯的比容和密度。
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。
高分子物理-第七章-屈服和强度
银纹和剪切带
均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象
主要区别
形
变
曲线特征
体
积
力
结
果
剪切屈服
45o
90o
a
抵抗外力的方式
两
种
抗张强度：抵抗拉力的作用
0
aan
aas
0 /2
抗剪强度：抵抗剪力的作用
0o
45o
90o
抗张强度什么面最大？ a=0， an=0
抗剪强度什么面最大？ a=45， as=0/2
当应力0增加时，法向应力和切向应力增大的幅度不同
在45o时, 切向应力最大
泊松比: 在拉伸实验中，材料横向应变
与纵向应变之比值的负数
m
v
l
m0
l0
T
常见材料的泊松比
泊松比数值
解
释
0.5
不可压缩或拉伸中无体积变化
0.0
没有横向收缩
0.49~40
塑料的典型数值
E, G, B and
E2
G
(1
)
EB
3 (1
2
第 一 期 的 入 党积极 分子培 训课将 要结束 了，在 培训期 间，通 过尊敬 的合江 县府王
督 学 、 学 院 党委王 书记及 学院党 办邬主 任和相 关领导 、教授 对党章 ，党课 及现阶
段 国 内 外 形 式的讲 解，以 及通过 参加学 院开展 的颂歌 献给党 、喜迎 十八大 歌咏比
赛 及 参 观 了 武警合 江中队 和合江 县清代 考试院 、合江 县汉代 石棺陈 列馆等 活
韧性断裂 ductile fracture
各种情况下的应力-应变曲线
聚合物材料的力学性能
聚合物具备高弹性的条件是在室温下为非晶体， 且其玻璃化转变温度远低于室温。 具备高弹性时，聚合物链结构上应具有下列特征： ①链非常长，并有很多弯； ②室温下链段在不停地运动； ③每二、三百个原子就有一处交联连接。 聚合物的高弹性在工程上常用于要求减振和密 封性的场合。
三、聚合物在粘流态下的变形
t＞tf时，聚合物处于粘流状态。 聚合物分子链在外力作用下可进行整体相对滑 动，呈粘性流动，导致不可逆永久变形。 粘流态拉伸应力-应变曲线如曲线d，在应力很 小时，就发生较大的变形。
聚合物不能得到完全的晶体结构，实际上是晶区与非晶区 同时存在。 聚合物的结晶程度用晶体所占总体的质量分数表示，称为结 晶度。聚合物的结晶度通常小于98。电镜观察表明，高分子单 晶为折叠链结构(图9-6)。分子链折叠排列整齐有序，致密度较 高，分子间作用力较大。
图9—6
聚合物结晶态结构示意图
非晶态结构的高分子链多呈无规则线团 形态，为分子链近程有序，其中局部可以存 在高分子链折叠区。
二、高分子链的近程结构——构型
定义：由化学键所固定的几何形状—— 指高分子链的化学组成、键接方式和立体构 型等。
由一种结构单体合成的，故该类聚合物 又称为均聚物。如聚乙烯。 由两种以上结构单体聚合而成的聚合物 称为共聚物。如丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯 的共聚物。
丁苯橡胶主要应用于制作轮胎，还用于机械制 品、制鞋、地板材料、粘结剂等。
聚合物与低分子材料的特点(区别)
材料\特点 高分子材料 低分子材料 ＜500 不可分割 整个分子或原子 大部分或完全结晶较小 固定 气，液，固三态
相对分子质量 104～106 分子可否分割 可分割成短链 热运动单元 结晶程度 分子间力 熔点 物理状态 链节，链段，整链等多重热运动单元 非结晶态或部分结晶态 加合后可大于主键力 软化温度区间 只有液态和固态（包括高弹态）
第七讲 聚合物的力学性能PPT课件
28
应力一应变曲线类型
29
7.2 影响应力-应变曲线的因素 (a) Temperature
T
Example-PVC
a: T<<Tg
脆断
T b: T<Tg
屈服后断
c: T<Tg 几十度 韧断
d: Tg以上 无屈服
30
温度对PMMA的应力-应变曲线的影响
31
(b) Different strain rate
10
Strength-Toughness Diagram
11
Strength-Toughness Diagram-Polymers
12
Strength-Density Diagram
13
Strength-Density Diagram-Polymers
14
Strength-Cost Diagram
39
(g) Orientation
➢强度随取向急剧增长，模量也随取向增大。 ➢晶粒取向完成较早，强度的急剧提高主要跟非晶区链 段取向关联。
40
7.3 聚合物的屈服
什么是屈服？
➢高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后高聚
屈 物将在恒应力下“塑性流动”，即链段沿外力方向开始 取向；
服 主
➢高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为10%20%（与金属相比）；
23
Resisitivity-Cost Diagram-Polymers
24
本章研究内容
➢高聚物的应力-应变曲线 ➢影响应力-应变曲线的因素 ➢聚合物的屈服 ➢聚合物的断裂与强度 ➢聚合物的拉伸强度、冲击强度
25
7.1 聚合物的应力-应变曲线
应力一应变曲线类型
29
7.2 影响应力-应变曲线的因素 (a) Temperature
T
Example-PVC
a: T<<Tg
脆断
T b: T<Tg
屈服后断
c: T<Tg 几十度 韧断
d: Tg以上 无屈服
30
温度对PMMA的应力-应变曲线的影响
31
(b) Different strain rate
10
Strength-Toughness Diagram
11
Strength-Toughness Diagram-Polymers
12
Strength-Density Diagram
13
Strength-Density Diagram-Polymers
14
Strength-Cost Diagram
39
(g) Orientation
➢强度随取向急剧增长，模量也随取向增大。 ➢晶粒取向完成较早，强度的急剧提高主要跟非晶区链 段取向关联。
40
7.3 聚合物的屈服
什么是屈服？
➢高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后高聚
屈 物将在恒应力下“塑性流动”，即链段沿外力方向开始 取向；
服 主
➢高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为10%20%（与金属相比）；
23
Resisitivity-Cost Diagram-Polymers
24
本章研究内容
➢高聚物的应力-应变曲线 ➢影响应力-应变曲线的因素 ➢聚合物的屈服 ➢聚合物的断裂与强度 ➢聚合物的拉伸强度、冲击强度
25
7.1 聚合物的应力-应变曲线
高聚物的结构与性能—聚合物的力学性能
第七章 聚合物的结构与性能
（3）硬度：是衡量材料表面承受外界压力能力的一种指标。 （4）机械强度
当材料所受的外力超过材料的承受能力时，材料就发生破 坏。机械强度是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在一定条 件下材料所能承受的最大应力。
根据外力作用方式不同，主要有以下三种： （i）抗张强度
衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。
三点弯曲 （3-point bending）
第七章 聚合物的结构与性能
（v）扭转（torsion）：对材料施加扭转力矩。
F F
（2）弹性模量 是指在弹性形变范围内单位应变所需应力的大小。是材料
刚性的一种表征。分别对应于以上三种材料受力和形变的基本 类型的模量如下：
拉伸模量（杨氏模量）E：E = / e 剪切模量（刚性模量）G：G = s / 体积模量（本体模量）B：B = p / V
第七章 聚合物的结构与性能
7.7 聚合物的力学性能 聚合物的力学性能指的是其受力后的响应，如形变大小、形
变的可逆性及抗破损性能等，这些响应可用一些基本的指标来 表征。 7.7.1 表征力学性能的基本指标
（1）应变与应力 材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变化称
应变或形变，通常以单位长度（面积、体积）所发生的变化 来表征。
验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。
P
d
b
l0/2
l0/2
抗弯强度测定试验示意图
设试验过程中最大的负荷为P，则抗弯强度f为：
f = 1.5Pl0 / bd2
第七章 聚合物的结构与性能
（iii）冲击强度（impact stength)（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。测定时基本 方法与抗弯强度测定相似，但其作用力是运动的，不是静止的。
《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
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
聚合物结构与性能课件-机械性能
聚四氟乙烯为非极性的，分子间作用力由
范德华力决定， ΔH也不大，比PE的ΔH还
小一点；
又聚四氟乙烯的二级近程作用力很大。链
不能随意转动， ΔS小
尼∴聚龙四６氟T乙m很烯高Tm，很是高由，Δ是H高由决ΔS定小的决定的 尼龙６ 分子为高极性分子，分子间靠氢键
作用在一起， ΔH很大；其ΔS也大但不是
太大，所以，尼龙６的Tm大是由ΔH高决 定的
④
形变 Tg
T
Tm
Tf
升温速率：2℃/min 非晶性聚合物—— 结晶性聚合物——
结晶性聚合物与非晶性聚合物的形态相似
不连续加载 部分结晶的 聚合物
形变
①
晶态部分
非晶态部分
T
部分①的产生是由于
结晶性聚合物中的无
定形部分，当温度大 于Tg时就还是运动， 运动的结果：随温度
的升高链段开始排入
晶体结构，慢慢结晶；
Tm 对称聚合物 Tg 不对称聚合物
（Tm如越聚高甲、醛Tg，越P低E等） Tm与Tg相差不大
普通PE的Tm≈114℃,高压低密度PE的Tm≈120℃ 而PE的Tg ≈-100℃ 为什么高对称性的聚合物, Tg低？
高分子链越对称，越规整，结晶越容易；因 此要使它形成无定形态越难，只有在很低的 温度下冻结链段，才能保持无定形态，所以 Tg低 对于不对称高分子，一般取无定形态，降低 温度就能冻结其分子链，所以Tg高
① 应力松弛
条件：一定的温度、一定的应变量
σ
t
应力松弛曲线示意图 l0
维持形变不变
第i根高分子链
维持形变ε不变
一种构象到另一种构象 A
l0
分解过程 B
分解过程: 仿分解过程:
《高分子物理》第七章-聚合物的力学性能
热力学分析得到的一条重要的结论： 弹性力主要来自熵的贡献， 故称橡胶弹性——熵弹性。
四、交联橡胶的统计理论
橡胶不交联，几乎没有使用价值，因此研究交联橡胶的高 弹形变具有重要的实际意义。
统计理论讨论的是橡胶弹性问题的核心——形变过程 中突出的熵效应，而忽略内能的贡献
定义两个有用的概念： 网链——已交联的分子链（交联点间的分子链） 网络——许多网链结合在一起，形成的结构
A. 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）
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
量 泊淞比：
G＝ s F r A0tg
m m l l
横向单向单位宽度的 纵向单位宽度的增加
柔 拉伸柔量： 切变柔量：
量
D 1
E
J1 G
机械 强度
体积模量：
B P PV0 V
可压缩度：
1 B
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：
四、交联橡胶的统计理论
橡胶不交联，几乎没有使用价值，因此研究交联橡胶的高 弹形变具有重要的实际意义。
统计理论讨论的是橡胶弹性问题的核心——形变过程 中突出的熵效应，而忽略内能的贡献
定义两个有用的概念： 网链——已交联的分子链（交联点间的分子链） 网络——许多网链结合在一起，形成的结构
A. 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）
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
量 泊淞比：
G＝ s F r A0tg
m m l l
横向单向单位宽度的 纵向单位宽度的增加
柔 拉伸柔量： 切变柔量：
量
D 1
E
J1 G
机械 强度
体积模量：
B P PV0 V
可压缩度：
1 B
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：
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－材料常数
强迫高弹形变产生的条件:
温度：Tb~Tg 施力：y≥ b当应力增加到 一定值（屈服应力）时，相 应链段运动的松弛时间降到 与外力的作用时间相当，被 冻结的高分子链段即能响应 产生大的形变，可见增加应 力与升高温度对松弛时间的 影响是相同的。
B
b y
Tb
图4产生屈服的条件
Tg
弹性变形后继续施加载荷，则产生塑性形变，称为继 续屈服，包括： •应变软化：屈服后，应变增加，应力反而有稍许下 跌的现象，原因至今尚不清楚。 •呈现塑性不稳定性，最常见的为细颈。 •塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。 •发生“取向硬化”，应力急剧上升。 •试样断裂。
真应力：
T
真应变：
T
(1) Shear band 剪切带
在细颈出现之前 试样上出现与拉 伸方向成45角的 剪切滑移变形带
(2) Crazing 银纹
银纹现象为聚合物所特有，在张应力作用下，于材料 某些薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和 取向，以至于在材料表面或内部垂直于应力方向上出 现长度为100µ m、宽度为10 µ m左右、厚度约为1 µ m 的微3
F1
F1n
A
F1
A1
F1s
0
/4
/2
A1/A = cos A =A1/cos F = F1cos F1s= F1sin
1s
F1 sin A1 / cos
F1 A1
sin cos
1
2
sin 2
1引起的最大剪应力为1/2
Strain softening 应变软化 Y
Breaking point 断裂点
B
A
A
Cold drawing 冷拉
Strain hardening 应变硬化
E
A
A
A B
聚合物典型应力-应变曲线
Winding 1961
Elongation at break Elongation at yield
各种情况下的应力-应变曲线 (a) 不同温度
T
T
Temperature
a: T<<Tg b: T<Tg c: T<Tg (几十度) d: T接近Tg
Example-PVC
0°C 0~50°C 50~70°C 70°C
Results
脆性断裂 屈服后断裂 韧性断裂 无屈服
(b) 不同的拉伸速率
拉伸速率
五个重要性质： (1) 杨氏模量
Ultimate strength
Stress
(2) 屈服强度
(3) 抗张强度 (4) 断裂伸长率
Yield stress
(5) 断裂韧性
Strain
应力-应变过程的不同阶段
五个阶段： I：弹性形变 II：屈服 III：应变软化 IV：冷拉 V：应变硬化
I
II III
银纹不空，含有伸长率50~60%的链
银纹中链的体积分数为40~60% 银纹仍有模量，约为本体的3~25% 银纹是可逆的，能通过退火消除
银纹中伸展的链是个网络结构 由链束与系带链构成
银纹与裂纹
银纹不是空的，银纹体的密 度为本体密度的50%，折光 指数也低于聚合物本体折光 指数，因此在银纹和本体之 间的界面上将对光线产生全 反射现象，呈现银光闪闪的 纹路（所以也称应力发白） 。加热退火会使银纹消失 。
升到其Tg附近，该形变则可完全回复，因此它在本质上 仍属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的链段运动 所引起的。 这种形变称为强迫高弹形变
强迫高弹形变产生的原因
松弛时间与应力的关系：＝ 0 exp
E－ E－链段运动活化能 kT
由上式可见， 越大， 越小，即外力降低了链段在外力作用方向上的 运动活化能，因而缩短了沿力场方向的松弛时间，当应力增加致使链 段运动松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时，链段开始由蜷 曲变为伸展，产生强迫高弹变形。 也就是在外力的作用下，非晶聚合物中本来被冻结的链段被强迫运动， 使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚合物仍处于玻璃态，当外 力移去后，链段不能再运动，形变也就得不到回复，只有当温度升至Tg附 近，使链段运动解冻，形变才能复原。
Different types of stress-strain curve
软－硬：模量
强－弱：屈服强度
韧－脆：断裂能
8.2 The yielding of polymer 聚合物的屈服
屈 服 主 要 特 征
•高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后 高聚物将在恒应力下“塑性流动”，即链段沿外力 方向开始取向。
脆化温度
较高温度下屈服应力低于断裂应力：先屈服后断裂 当温度降低时，屈服应力升高比断裂应力快， 屈服应力与断裂应力重合的温度称为脆化温度Tb
T高 T中 T较低 Tb
Tb为脆性断裂与韧性断裂的分界线，为塑料使 用的最低温度
应力
断裂强度
应力
屈服强度
屈服强度 断裂强度
Tb
温度
Tb Tb’
拉温度区间是Tb到Tg，而结晶聚合物则为Tg至Tm； （2）玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化 比晶态聚合物简单得多，它只发生分子链的取向，并不发生 相变，而后者尚包含有结晶的破坏，取向和再结晶等过程。
无定形聚合物的冷拉
冷拉过程，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
强迫高弹形变 在大外力作用下冻结的链 段沿外力方向取向
III Viscous flow
粘流形变 在分子链伸展后继续拉伸整 链取向排列，使材料的强度 进一步提高。形变不可回复
图3 非晶态聚合物的应力-应变曲线 （玻璃态）
强迫高弹形变的定义
处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中屈服点后产生
的较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试样温度
无外力 0 e RT
松弛时间变短 有外力
0e
E a RT
出现细颈，代表出现受迫性塑性流动
故屈服的本质是塑性流动
塑性流动吸收能量，故材料变韧
温度越低，受迫成分越大，屈服强度越高
剪切屈服现象、机理及判据
为什么会出现细颈？ ——应力最大处。 剪切屈服：即在细颈发生前，试样表面 出现与拉伸方向成45度角的剪切带。
•高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为 10%-20%（与金属相比）。 •屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还 非常迅速。 •屈服应力对应变速率和温度都敏感。 •屈服发生时，拉伸样条表面产生“银纹”或“剪切 带”,继而整个样条局部出现“细颈”。
Strain softening 应变软化
dL L
f
stress
真应力-应变曲线
A
工程应力-应变曲线
ln
L L0
所谓应变软化是定义所致
Strain
细颈
普通显微镜
偏光显微镜
Necking 细颈与剪切带
细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。
出现“细颈 ”的位置 样条尺寸：横截面小的地方 应变软化：应力集中的地方 自由体积增加
E
出现“细颈 ”的原因
决定脆或韧的因素
227K
(1) 温度
(MPa)
293K 303K 313K
PMMA
Tg=388k
323K 333K
0
10
20
30
不同应变速率下聚氯乙烯的应力-应变曲线
PVC (23C)
(2)应变速率
50%/min
stress
5%/min 0.5%/min 0.05%/min
时温等效
Strain
最大剪应力为
1 3
2
最大张应力为 1
故剪张比为
1 3
2 1
剪张比越大越易屈服
多向拉伸
单向拉伸
简单剪切
压缩
1 3
2 1
<½
½
PET 聚芳砜 HDPE PP
1
PS
室温 聚碳酸酯 屈服 氯醋共聚物 的材 LDPE 料
PMMA
酚醛树脂
尼龙 聚甲醛
聚合物屈服的表现形式
结晶聚合物冷拉模型
The Size of Spherulites 球晶大小
The Degree of Crystallization 结晶度
Different types of stress-strain curve
软而弱 硬而脆 硬而强
软而韧 硬而韧
“软”和“硬”用于区分模量的低或高，“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。
屈服后 断裂
无塑性 流动
有塑性 流动
表面 光滑 表面 粗糙
张应力 分量 切应力 分量
试样发生脆性或者韧性断裂与材料组成有关 ，除此之外，同一材料是发生脆性或韧性断 裂还与温度T 和拉伸速率 有关。
脆性断裂和韧性断裂断口形貌
图13 PS试样脆性断裂表面的电镜照片 图14 增韧改性PVC韧性断裂表
面的SEM照片
IV
V
从分子运动机理解释形变过程
你能解 释吗？
弹性形变 断裂 屈服 应变硬化 应变软化 冷拉
从分子运动解释非结晶聚合物应力－应变曲线
I Elastic deformation
普弹形变 小尺寸运动单元的运动引起键 长键角变化。形变小可回复
II Forced rubber-like deformation