第3章高分子材料的断裂
第三章 高分子材料的降解
降解性高分子按降解机理分类： 1. 生物降解高分子 2. 光降解高分子 3. 光-生物降解高分子 4. 水降解高分子
一、高分子材料降解方式
含有可水解基团的聚合物，还可进行醇解、酸解和胺解，还易受碱的 腐蚀。
?化学降解也可加以利用
例如使杂链聚合物转变为单体或低聚物，天然聚缩醛——淀粉酸性 水解，可制葡萄糖：
(C6H10O5)n
n 2
C12H22O10
nC6H12O6
一、高分子材料降解方式
2、降解作用方式
3）光降解和光氧化 300~400 nm的紫外光仅使多数聚合物呈激发态而不离解。但有氧存在， 则被激发的C-H键易被氧脱除，形成氢过氧化物，然后按氧化机理降解。
第三章 高分子材料的降解
绿色高分子的定义
相对于常规高分子材料来说，在 材料合成、制造、加工和使用过程 中不 会对环境产生危害（如污染或破坏环境），也称环境友好高分子材料。
广义的讲，具有耐用、性价比高、易于清洁生产、可回收利用和可环境 消纳等性能的高分子材料 , 都属于绿色高分子材料研究开发和推广的范畴。 环境可降解高分子是绿色高分子材料中重要的一部分。
包括以上三大降解综合
一、高分子材料降解方式
1、降解形式
高分子的降解主要是主链的断开
(1)无规断链 ； (2)解聚 ； (3)弱键分解; (4)侧基或低分子物的脱除; 。。。。。。。
一、高分子材料降解方式
1、降解形式
(1)无规断链 分解高分子链中的化学键具有任意性，从生物化学角度来讲，属于随
《第3章 有机合成及其应用 合成高分子化合物》试卷及答案_高中化学选择性必修3
《第3章有机合成及其应用合成高分子化合物》试卷(答案在后面)一、单项选择题（本大题有16小题，每小题3分，共48分）1、下列关于高分子化合物的说法中，正确的是：A、高分子化合物都是天然存在的，如蛋白质、纤维素等。
B、高分子化合物的相对分子质量通常在10000以上。
C、高分子化合物的单体都是有机物。
D、所有的高分子化合物都是热塑性塑料。
2、下列关于合成高分子化合物的说法中，正确的是（）。
A. 所有的合成高分子化合物均由单体通过加聚反应制备而得B. 合成高分子化合物的相对分子质量可以无限大C. 聚乙烯可以通过加聚反应由乙烯单体聚合而成D. 合成高分子化合物不具备多样性3、通过我国科学家提出的奥卡姆合成法，可以在简短的步骤中制备出具有特殊结构的高分子化合物，下列关于奥卡姆合成法的特点描述错误的是：（）A. 以碳碳双键为起始原料B. 利用自由基聚合反应C. 可以制备特定结构的聚合物D. 聚合过程中涉及碳氮键的断裂和形成4、在以下有机合成反应中，属于加成反应的是（）A、乙烷与氯气在光照条件下反应生成氯乙烷B、苯与液溴在催化剂作用下反应生成溴苯C、乙烯与水在酸催化下反应生成乙醇D、乙酸与乙醇在酸催化下反应生成乙酸乙酯5、高分子化合物主要是通过哪种聚合方式制备的？A、加聚反应B、取代反应C、酯化反应D、缩聚反应6、有机合成中，卤代烃在氢化反应中通常使用以下哪种催化剂？（）A、催化剂A：Pd/CB、催化剂B：NiC、催化剂C：CuD、催化剂D：MgCl27、在一定条件下，由单体A聚合得到高分子化合物B，下列关于A和B的描述中，正确的是（）A、A分子中含有一个碳碳双键，B分子中碳碳双键的数量与A分子中碳碳双键数量相同B、A分子中含有一个碳碳三键，B分子中碳碳三键的数量是A分子中碳碳三键数量的两倍C、A分子中含有两个相同的官能团，B分子中官能团的数量是A分子中官能团数量的两倍D、A分子中含有一个官能团，B分子中官能团的数量与A分子中官能团数量相同8、下列关于合成高分子化合物的说法中，正确的是（）。
第三章 高分子材料的降解
一、高分子材料降解方式
1、降解形式
(2)解聚 解聚反应是先在大分子末端断裂，生产活性较低的自由基，然后按
连锁机理迅速脱除单体。如聚甲基丙烯酸甲酯的解聚反应。
分解特点是分解初期，质量减少非常快，而相对分子质量减少并没有那 么快。人们可以通过对高分子末端的封端，来阻止由于解聚而引起的质
量减少和相对分子质量的降低。
第三章 高分子材料的降解
绿色高分子的定义
相对于常规高分子材料来说，在材料合成、制造、加工和使用过程中不 会对环境产生危害（如污染或破坏环境），也称环境友好高分子材料。
广义的讲，具有耐用、性价比高、易于清洁生产、可回收利用和可环境 消纳等性能的高分子材料, 都属于绿色高分子材料研究开发和推广的范畴。 环境可降解高分子是绿色高分子材料中重要的一部分。
2、降解作用方式
Hale Waihona Puke 4) 生物降解生物降解是材料被细菌、霉菌等作用消化吸收的过程，大致有 三种作用方式: (1)生物的物理作用—由于生物细胞的增长而使物质发生机械性的毁坏; (2)生物的化学作用—微生物对聚合物的作用而产生新的物质; (3)酶的直接作用—微生物侵蚀部分导致塑料分裂或氧化崩裂。
二、降解高分子的分类与原理
可降解高分子材料 可降解高分子高分子材料概念材料是相对通用高分子而言的，广义上认
为，材料在使用废弃后，在一定条件下会自动分解而消失掉。严格地说，降 解材料是在特定的环境条件下，其化学结构发生显著变化并造成某些性能下 降的能被生物体侵蚀或代谢而降解的材料。
二、降解高分子的分类与原理
高分子材料的自然降解包括生物降解和非生物降解两大类。非生物降解 又包括光降解、热降解、氧化降解、水解等。从环保的角度考虑，生物降解 材料及生物降解与非生物降解相结合的材料更受欢迎。国内外已相继开发出 了不少产品。
高分子物理名词解释
第一章高分子链的结构全同立构：高分子链全部由一种旋光异构单元键接而成间同立构：高分子链由两种旋光异构单元交替键接而成构型：分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列.这种排列是热力学稳定的.要改变构型必需经过化学键的断裂与重组分子构造（Architecture）：指聚合物分子的各种形状.一般高分子链的形状为线形.还有支化或交联结构的高分子链.支化高分子根据支链的长短可以分为短支链支化和长支链支化两种类型共聚物的序列结构：是指共聚物根据单体的连接方式不同所形成的结构.共聚物的序列结构分为四类：无规共聚物、嵌段共聚物、交替共聚物、接枝共聚物接枝共聚物：由两种或多种单体经接枝共聚而成的产物.兼有主链和支链的性能。
嵌段共聚物（block copolymer）：又称镶嵌共聚物.是将两种或两种以上性质不同的聚合物链段连在一起制备而成的一种特殊聚合物。
环形聚合物：它的所有结构单元在物理性质和化学性质上都是等同的超支化聚合物：是在聚合物科学领域引起人们广泛兴趣的一种具有特殊大分子结构的聚合物构象：由于σ单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。
链段：高分子链上划分出的可以任意取向的最小单元或高分子链上能够独立运动的最小单元称为链段。
链柔性：是指高分子链在绕单键内旋转自由度.内旋转可导致高分子链构象的变化.因为伴随着状态熵增大.自发地趋向于蜷曲状态的特性。
近程相互作用：是指同一条链上的原子或基团之间.沿着链的方向.因为距离相近而产生相互作用远程相互作用：因柔性高分子链弯曲所导致的沿分子链远距离的原子或基团之间的空间相互作用。
远程相互作用可表现为斥力或引力.无论是斥力还是引力都使内旋转受阻.构想数减少.柔性下降.末端距变大。
自由连接链：假定分子是由足够多的不占体积的化学键自由结合而成.内旋转时没有键角限制和位垒障碍.其中每个键在任何方向取向的几率都相同。
（极端理想化假设）自由旋转链：假定链中每一个键都可以在键角所允许的方向自由转动.不考虑空间位阻对转动的影响等效自由连接链：若干个键组成的一链段算作一个独立的单元.称之为“链段”.链段间自由结合.无规取向.这种链的均方末端距与自由连接链的计算方式等效。
材料的脆性断裂与强度
材料的脆性断裂与强度§2．1 脆性断裂现象⼀、弹、粘、塑性形变在第⼀章中已阐述的⼀些基本概念。
1．弹性形变正应⼒作⽤下产⽣弹性形变，剪彩应⼒作⽤下产⽣弹性畸变。
随着外⼒的移去，这两种形变都会完全恢复。
2．塑性形变是由于晶粒内部的位错滑移产⽣。
晶体部分将选择最易滑移的系统(当然，对陶瓷材料来说，这些系统为数不多)，出现晶粒内部的位错滑移，宏观上表现为材料的塑性形变。
3．粘性形变⽆机材料中的晶界⾮晶相，以及玻璃、有机⾼分⼦材料则会产⽣另⼀种变形，称为粘性流动。
塑性形变和粘性形变是不可恢复的永久形变。
4．蠕变：当材料长期受载，尤其在⾼温环境中受载，塑性形变及粘性形变将随时间⽽具有不同的速率，这就是材料的蠕变。
蠕变的后当剪应⼒降低(或温度降低)时，此塑性形变及粘性流动减缓甚⾄终⽌。
蠕变的最终结果：①蠕变终⽌；②蠕变断裂。
⼆．脆性断裂⾏为断裂是材料的主要破坏形式。
韧性是材料抵抗断裂的能⼒。
材料的断裂可以根据其断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂。
1．脆性断裂脆性断裂是材料断裂前基本上不产⽣明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发⽣的快速断裂过程，因⽽具有很⼤的危险性。
因此，防⽌脆断⼀直是⼈们研究的重点。
2．韧性断裂韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产⽣明显宏观塑性变形的断裂过程。
韧性断裂时⼀般裂纹扩展过程较慢，⽽且要消耗⼤量塑性变形能。
⼀些塑性较好的⾦属材料及⾼分⼦材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。
3．脆性断裂的原因在外⼒作⽤下，任意⼀个结构单元上主应⼒⾯的拉应⼒⾜够⼤时，尤其在那些⾼度应⼒集中的特征点(例如内部和表⾯的缺陷和裂纹)附近的单元上，所受到的局部拉应⼒为平均应⼒的数倍时，此过分集中的拉应⼒如果超过材料的临界拉应⼒值时，将会产⽣裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。
虽然与此同时，由于外⼒引起的平均剪应⼒尚⼩于临界值，不⾜以产⽣明显的塑性变形或粘性流动。
高分子材料性能学
第一章------第五章1.力学性能：指高聚物受外力作用时的形变行为及其抗破损的性能，它包括弹性、塑性、强度、蠕变、松弛和硬度等。
2.应变（形变）：当材料受到外力作用时，它所处的条件又不能产生惯性移动时，其几何形状会发生变化，这种变化就称为应变。
3.应力：定义单位面积上的附加内力为应力，其数值与单位面积上所受的外力相等。
Pa在切应力作用下发生切应变，在正应力作用下材料发生拉伸或压缩形变。
4.对各向同性的材料有三种基本类型的形变：简单切变、均匀压缩、简单拉伸。
5.弹性模量：常简称为模量，是单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。
杨氏模量的倒数称为拉伸柔量，切变模量的倒数称为切变柔量，本体模量的倒数称为可压缩度。
6.泊松比：υ=横向应变/轴向应变7.高分子材料分子热运动的特点：（1）运动单元和模式的多重性：从运动单元来说，可以分为链节运动、链段运动、侧基运动、支链运动、晶区运动以及整个分子链运动等。
从运动方式来说，有键长、键角的变化，有侧基、支链、链节的旋转和摇摆运动，有链段绕主链单键的旋转运动，有链段的跃迁和大分子的蠕动等。
（2）大分子运动的时间依赖性：高分子材料从一种平衡状态通过分子运动而转变到另一种平衡状态是需要时间的，这种时间演变过程称作松弛过程，所需时间称松弛时间。
（3）分子运动的温度依赖性：一般规律是温度升高，各运动单元热运动能力增强，同时由于热膨胀，分子间距增加，材料内部自由体积增加，有利于分子运动，使松弛时间缩短。
8.A-玻璃态B-过渡区（玻璃化转变温度）C-高弹态D-过渡区（粘流转变区）E-粘流态Tb-脆化温度Tg-玻璃化温度Tf-粘流温度9.交联聚合物由于分子链间存在交联化学键，限制了整链运动，因此其特点是不溶、不熔。
10.在拉伸过程中，高分子链的运动经过以下阶段：（1）弹性形变（2）强迫高弹形变（3）塑性形变（永久形变）（凡是弹性变形都是可逆变形）、11.能弹性：由内能变化为主导致的弹性变形称为能弹性；熵弹性：由熵变化为主导致的弹性称为熵弹性。
付华-材料性能学-部分习题答案
第一章材料的弹性变形一、填空题：1.金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗变形或断裂的能力。
2. 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。
3. 线性无定形高聚物的三种力学状态是玻璃态、高弹态、粘流态，它们的基本运动单元相应是链节或侧基、链段、大分子链，它们相应是塑料、橡胶、流动树脂（胶粘剂的使用状态。
二、名词解释1.弹性变形：去除外力，物体恢复原形状。
弹性变形是可逆的2.弹性模量：拉伸时σ=EεE：弹性模量（杨氏模数）切变时τ=GγG：切变模量3.虎克定律：在弹性变形阶段，应力和应变间的关系为线性关系。
4.弹性比功定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。
三、简答：1．金属材料、陶瓷、高分子弹性变形的本质。
答：金属和陶瓷材料的弹性变形主要是指其中的原子偏离平衡位置所作的微小的位移，这部分位移在撤除外力后可以恢复为0。
对高分子材料弹性变形在玻璃态时主要是指键角键长的微小变化，而在高弹态则是由于分子链的构型发生变化，由链段移动引起，这时弹性变形可以很大。
2．非理想弹性的概念及种类。
答：非理想弹性是应力、应变不同时响应的弹性变形，是与时间有关的弹性变形。
表现为应力应变不同步，应力和应变的关系不是单值关系。
种类主要包括滞弹性，粘弹性，伪弹性和包申格效应。
3．什么是高分子材料强度和模数的时-温等效原理?答：高分子材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率。
加载速率一定时，随温度的升高，高分子材料的会从玻璃态到高弹态再到粘流态变化，其强度和模数降低；而在温度一定时，玻璃态的高聚物又会随着加载速率的降低，加载时间的加长，同样出现从玻璃态到高弹态再到粘流态的变化，其强度和模数降低。
时间和温度对材料的强度和模数起着相同作用称为时=温等效原理。
四、计算题：气孔率对陶瓷弹性模量的影响用下式表示：E=E0 (1—1.9P+0.9P2)E0为无气孔时的弹性模量；P为气孔率，适用于P≤50 %。
高分子材料的稳定与降解第三章聚合物降解各论
（i）链终止抗氧剂的稳定化 选用抗氧剂时要根据具体条件下的[R.]和 [ROO.]之比。 光氧化中， [R.]和[ROO.]的比值比在液态烃 中大两个数量级以上。
抗氧剂多是光敏剂。但受阻酚类可以与紫外 吸收剂起协同作用。
只能捕捉[R.]和[ROO.]二者之一的稳定剂通 常抑制系数为1～2。 能同时捕捉[R.]和[ROO.]二者的链终止抗氧 剂的抑制系数远大于1。 具有氧化和还原状态之间交替的能力的抗氧 剂可显示出催化再生机理，对稳定聚合物有 较大潜力。
有氧存在时，自由基的反应必然导致生成氢 过氧化物，将促进聚合物的降解。
聚丙烯热氧化后，分子量上会出现：醛、酮、 羧酸、酯、内酯等结构。
热氧化降解时的挥发产物：水、甲醛、乙醛、 丙酮、甲醇、氢、过氧化氢、一氧化碳和二 氧化碳。
物理性能的变化：
聚丙烯热氧化过程中，大分子烷基自由基是 一个关键的中间体：
聚乙烯的热氧化产物：酮、羧酸、挥发分， 少量的酯和内酯；高温氧化时有醛生成。
聚乙烯热氧化时的主要反应是交联反应， 或生成长链支化产物。
一般认为：交联由于自由基相互结合而形成。 现在有证据表明：自由基在双键上的加成非 常重要。
（3）聚乙烯降解的应用研究 Pages研究了HDPE在冬季气候老化条件下结 构和力学性能的变化。
例：亚硝基自由基的稳定化作用机理：
（ii）预防型稳定剂的稳定化 预防型稳定剂降低链引发速率。包括三类： ① 紫外线屏蔽剂和紫外线吸收剂 对光不透明或在300～400nm区间有强烈光 谱吸收的化合物，通过某种途径能将能量无 害地消散掉。 例：反射性或不透明的颜料。 紫外吸收剂对屏蔽作用贡献小。
② 激发态猝灭剂 ③ 分解氢过氧化物的光稳定剂。
PP/PE合金的溶液可能是均匀的单相体系， 其降解和交联反应都受到抑制。
高分子物理(第三版)第七章--高分子的屈服和断裂(玻璃...
Thedevelopmentof materialsover time.The materialsof pre-history, onthe left,all occurnaturally;the challengefor theengineers ofthat era wasone ofshaping them.Thedevelopmentofthermochemist 11121314 1516 17在小伸长时，拉伸应变通常以单位长度的伸长来定义。
应变：。
：为材料的起始截面积。
当材料发生较大形变时，上式计算的应力与材料的真实应力会发生较大的偏差，这时正确计算应力应该以真实截面积真应力：相应地可提出真应变的定义，如果材料在某一时刻长度从+dl i，则真应变为:真应变：对于理想的弹性团体，应力与应变关系服从虎克定律，25简单拉伸时的杨氏模量：在简单剪切的情况下，材料受到的力F 是与截面相平行的大小相等、方向相反的两个力。
在这剪切力作用下，材料将发生偏斜，偏斜角的正切定义为切应变。
当切应变足够小时，。
相应地，材料的剪切应力为：剪切模量：θγ≈切应变：剪切位移S ，剪切角θ，剪切面间距d体积模量：必须注意的是，试样宽度和厚度在拉伸过程中是随试样的伸长屈服强度断裂强度Polymers with different properties增强途径增强机理：活性粒子吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子起物理交联点的作用。
惰性填料怎么办？例：PVC+CaCO，PP+滑石粉glassy fiber+polyester增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷。
Carbon fiber弯曲模量：增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微纤结构而到增强作用。
由于微纤结构是加工过程中由液晶棒状分子在共混无物基体中就地形成的，故称做“原位”复合增强。
Charpy试验IZOD试验40补充材料：聚合物的韧性与增韧-----冲击强度Impact strength——是衡量材料韧性的一种指标高速拉伸试验测量材料冲击强度的依据。
第3章高分子材料的断裂
T
y
. t1
. t2
.
温度增加，韧脆转变点向低温移动，材料变韧
应变速率增加，韧脆转变点移向高温，材料变脆
14
高分子材料性能学
（2）分子量
分子量变大将减小断裂应力，Tb移向高温，高聚物变脆
拉伸强度 A B Mn
（3）支化：影响较复杂 （4）交联：增加屈服应力， Tb移向高温，材料变脆。 （5） 增塑：对屈服应力的降低比对断裂应力降低得多，
第3章 高分子材料的断裂
高分子材料性能学
本章内容
本章将在断裂力学的基础上简要的介绍高分子材 料断裂的类型、断裂形态、断裂机理和影响因素。 主要内容:
1）高分子材料断裂概述 2）高聚物的断裂理论 3）断裂韧度
2
高分子材料性能学
重点： 脆性断裂和韧性断裂 高聚物韧-脆转变的影响因素 Griffith断裂理论 应力场强因子KI 断裂韧度KIC 断裂韧度的K判据
高分子材料性能学
平面应力与平面应变状态区别
Z轴方向上的应力σz或应变εz是否为零
区分标准
平面应力
平面应变
应力
σz=0
z v(xy)
应变
z Ev (x y)
εz=0
49
高分子材料性能学
平面应变状态应变分量为：
x(1 E v 2 ) K rIco 2(1 s 2 v si 2 n si3 2 n ) y(1 E v 2 ) K rIco 2(1 s 2 v si 2 n si3 2 n )
25
高分子材料性能学
3.2 高聚物的断裂理论
在一薄板上刻出一圆孔，施以平均拉应力σ0，在孔 边上与σ0方向成θ角的切向应力分量σt可表示为
《材料科学与工程基础》习题和思考题及答案
《材料科学与工程基础》习题和思考题及答案《材料科学与工程基础》习题和思考题及答案第二章2-1.按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布（用方框图表示）。
2-2.的镁原子有13个中子，11.17%的镁原子有14个中子，试计算镁原子的原子量。
2-3.试计算N壳层内的最大电子数。
若K、L、M、N壳层中所有能级都被电子填满时，该原子的原子序数是多少？2-4.计算O壳层内的最大电子数。
并定出K、L、M、N、O 壳层中所有能级都被电子填满时该原子的原子序数。
2-5.将离子键、共价键和金属键按有方向性和无方向性分类，简单说明理由。
2-6.按照杂化轨道理论，说明下列的键合形式：（1）CO2的分子键合（2）甲烷CH4的分子键合（3）乙烯C2H4的分子键合（4）水H2O的分子键合（5）苯环的分子键合（6）羰基中C、O间的原子键合2-7.影响离子化合物和共价化合物配位数的因素有那些？2-8.试解释表2-3-1中，原子键型与物性的关系？2-9.0℃时，水和冰的密度分别是1.0005g/cm3和0.95g/cm3，如何解释这一现象？2-10.当CN=6时，K+离子的半径为0.133nm(a)当CN=4时，半径是多少？(b)CN=8时，半径是多少？2-11.(a)利用附录的资料算出一个金原子的质量？(b)每mm3的金有多少个原子？(c)根据金的密度，某颗含有1021个原子的金粒，体积是多少？(d)假设金原子是球形(rAu=0.1441nm),并忽略金原子之间的空隙，则1021个原子占多少体积？(e)这些金原子体积占总体积的多少百分比？2-12.一个CaO的立方体晶胞含有4个Ca2+离子和4个O2-离子，每边的边长是0.478nm，则CaO的密度是多少？2-13.硬球模式广泛的适用于金属原子和离子，但是为何不适用于分子？2-14.计算（a）面心立方金属的原子致密度；（b）面心立方化合物NaCl的离子致密度（离子半径rNa+=0.097，rCl-=0.181）；（C）由计算结果，可以引出什么结论？2-15.铁的单位晶胞为立方体，晶格常数a=0.287nm，请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子个数。
材料性能学名词解释
名词解释第一章：弹性比功：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。
包申格效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
滞弹性：是材料在加速加载或者卸载后，随时间的延长而产生的附加应变的性能，是应变落后于应力的现象。
粘弹性：是指材料在外力的作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。
内耗：在非理想弹性变形过程中，一部分被材料所吸收的加载变形功。
塑性：材料断裂前产生塑性变形的能力。
韧性：是材料力学性能，是指材料断裂前吸取塑性变形攻和断裂功的能力。
银纹：是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于它密度低，对光线反射高为银色。
超塑性：材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。
脆性断裂：是材料断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，而是突然发生的快速断裂过程。
韧性断裂：是指材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。
剪切断裂：是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。
河流花样：两相互平行但出于不同高度上的解理裂纹，通过次生解理或撕裂的方式相互连接形成台阶，同号台阶相遇变汇合长大，异号台阶相遇则相互抵消。
当台阶足够高时，便形成河流花样。
解理台阶：不能高度解理面之间存在的台阶韧窝：新的微孔在变形带内形核、长大、聚集，当其与已产生的裂纹连接时，裂纹便向前扩展形成纤维区，纤维区所在平面垂直于拉伸应力方向，纤维区的微观断口特征为韧窝。
应力状态软性系数：最大切应力与最大正应力的比值。
缺口效应：缺口造成应力应变集中，这是缺口第一效应；缺口改变了缺口前方的应力状态，使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸变为两向或三向拉伸，这是缺口第二效应；在有缺口的条件下，出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸要高，缺口使材料得到“强化”，这是缺口第三效应。
《药用高分子材料学》ppt课件
二
它们具有不同的水蒸气透过性，以下按每25um厚的膜，24h水
高
蒸气的透过量(g/100cm2)的大小顺序列出：聚乙烯醇，聚氨酯，
分
乙基纤维素，醋酸纤维素 ，醋酸纤维素丁酸酯，流延法制的聚氯乙
子
烯，挤出法制的聚氯乙烯 ， 聚碳酸酯，聚氟乙烯，乙烯/醋酸乙烯
材
共聚物，聚酯，聚乙烯涂层的赛璐玢，聚偏二氯乙烯，聚乙烯，乙
1930年高分子被承任至今。
5
厚德 明志 笃学 力行
绪论
人类的远古时代，在谋求生存和与疾病
斗争的过程中，广泛地利用天然的动植物来 源的高分子材料，如阿胶的生产原料驴皮就 是天然高分子材料。明朝大医药家李时珍在
概 《本草纲目》中说：“阿胶，本经上品,弘
景曰:‘出东阿,故名阿胶’”。东阿县做为 阿胶发祥地，利用天然高分子生产阿胶已有 两千多年的悠久历史。
17
厚德 明志 笃学 力行
绪论
本课程的目的：
一
使学生了解高分子材料学的最基本理论和药剂学中常用的高分子
课
材料的结构，物理化学性质，性能及用途，并能初步应用这些基本 知识来理解和研究高分子材料在一般药物制剂、控释制剂及缓释制
程 剂中的应用。
的 目
1.高分子材料的一般知识；合成
反应及化学反应；高分子材料的化
面向21世纪课程教材
《药用高分子材料学》
中国医药科技出版社
1
厚德 明志 笃学 力行
发展和教学需要，于20世纪90年代在我国建
立起来《的药一门用崭高新的分学科子。材它的料产学生和》发展
得到国家医药行政部门的极大重视。药用高
分子材料学、生物药剂学、物理药学、制剂
课
工程学是现代药剂学的主要基础专业。多种
材料性能学教案-3 材料断裂
3 材料的断裂Introduction一、韧性断裂-杯锥状断口-断口特征的三要素：纤维区，放射区，剪切唇二、理论、实际断裂强度三、断裂过程及机理1.解理断裂-河流结晶状-穿晶脆断-典型2.微孔聚集断裂---韧窝（纤维状）3.沿晶脆断（冰糖）结晶状-多数为脆断3.1 断裂概述断裂力学：一门力学分支学科国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故，大部分低应力脆断事故都是发生在应用了高强度钢材的结构或大型的焊接件中，例如飞机机身、机器中的重载构件以及高压容器等结构。
现代断裂理论大约是在1948—1957年间形成。
许多安全事故由材料断裂引起20世纪40年代美国全焊接自由轮折断，50年代北极星导弹在实验发射时爆炸，一系列压力容器、油罐的爆炸大型桥梁破坏……断裂破坏造成了巨大的生命财产损失。
只有掌握材料的断裂机理，才能采取有效的预防措施。
3.1.1 断裂类型1.按塑性变形分：韧性断裂-脆性断裂（工程）2.按宏观断面分：正断—切断3.按裂纹扩展分：沿晶断裂—穿晶断裂4.按断裂机制分：解理断裂—微孔聚合断裂---纯剪切断裂5.按滑移机理分：单滑移---多滑移（引发）韧（延）性断裂:（a）单晶体塑性材科P.172-主要是滑移（常-低温）（b）纯铝或纯金多晶断裂类型（书P.95）3.1.2 断裂强度1. σp: 比例极限，FP/A0 保持应力与应变成正比关系的最大应力。
2. σe: 弹性极限， Fe/A0 材料发生可逆的弹性变形应力的上限值；应力超过此值，发生塑性变形。
在弹性范围，已经偏离线性。
3. σs：屈服极限—屈服强度， Fs/A0 单向静拉伸应力-应变曲线-屈服平台的应力。
屈服强度—工程上最重要的力学性能指标。
不均匀的塑性变形--分界--均匀的塑性变形4. σb：抗拉强度—断裂抗力，Fb/A0 Fb(最大)，试样拉断前承受的最大载荷5. σk：断裂强度， Fk/Ak，Fk<Fb (最大)，国标拉伸曲线碳化钨钢结构硬质合金横向断裂强度的测定 GB/T 10418-2002国标简介：碳化钨钢结硬质合金横向断裂强度的测定GB/T 10418-2002本标准规定碳化钨钢结硬质合金材料横向断裂强度试验的试样形状、尺寸规格、试验设备和试验条件。
第三章 材料的断裂
宏观断口 : 用肉眼或放大镜观察到的断口形貌
3、断口分析
二、断口分析
断口上分三个典型的 区域：纤维区、放射 区、剪切唇——断口 三要素。
三区域的大小、形态随试样 和实验条件而变化。
放射区较大，则材料的塑性 低（该区是裂纹快速扩展部 分，伴随的塑性变形也小）。 塑性好的材料，必然表现为 纤维区和剪切唇占很大比例， 甚至中间的辐射区可以消失。 脆性材料纤维区很小，剪切 唇几乎没有。
⑶ 剪切断裂、微孔聚合断裂与解理断裂
剪切断裂、微孔聚合断裂与解理断裂按不 同的微观断裂方式，是材料断裂的重要微观 机理． Ⅰ 剪切断裂： 剪切断裂是材料在切应力作 用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂． 某些纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切 断裂，其断口呈锋利的楔形，是充分发挥塑 性的韧性断裂，如低碳钢拉伸断口上的剪切 唇。但实际工程材料中很少见。
微观断口: 借助于扫描电镜或其它分析手段来研究 的断口形貌
断口分析是重要的分析手段。
韧断前有明显的颈缩， 断裂前有大量的塑性 变形。上下断口分别 呈杯状和锥状，合称 为杯锥状断口。 断口上分三个典型的 区域：纤维区、放射 区、剪切唇——断口 三要素。
纤维区F：位于断口中 央，呈粗糙的纤维状。 与拉力轴垂直，裂纹首 先在该区域形成； 颜色灰暗，表面有较大 的起伏，如山脊状，表 明裂纹在该区扩展时伴 有较大的塑性变形，裂 纹扩展也较慢；
•放射区R：紧挨着纤维区。 •表面较光亮平坦，有较细的 放射状条纹，放射线发散方向 为裂纹扩展方向，裂纹在该区 扩展较快，塑性变形量小，表 现为脆性断裂部分； •剪切唇S：接近试样边缘。 •应力状态为平面应力状态， 最后沿着与拉力轴向成4050°，裂纹失稳扩展，塑性变 形量较大，韧断区。表面粗糙 发深灰色。
高分子物理名词解释
一、概念与名词第一章高分子链的结构高聚物的结构指组成高分子的不同尺度的结构单元在空间相对排列，包括高分子的链结构和聚集态结构。
高分子链结构表明一个高分子链中原子或基团的几何排列情况。
聚集态结构指高分子整体的内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构和织态结构。
近程结构指单个大分子内一个或几个结构单元的化学结构和立体化学结构。
远程结构指单个高分子的大小和在空间所存在的各种形状称为远程结构化学结构除非通过化学键的断裂和生成新的化学键才能改变的分子结构为化学结构。
物理结构而一个分子或其基团对另一个分子的相互作用构型分子中各原子在空间的相对位置和排列叫做构型，这种化学结构不经过键的破坏或生成是不能改变的。
旋光异构结构单元-CH2--C*HR-型的高分子，由于每一个结构单元含有一个C*，因此，它们在高分子链中有三中键接方式，即全同、间同、无规立构，此即为旋光异构。
全同立构结构单元-CH2--C*HR-型的高分子，由于每一个结构单元含有一个C*，因此，它们在高分子链中有三种键接方式，若高分子链中C*的异构体是相同的，此即为全同立构。
间同立构结构单元-CH2--C*HR-型的高分子，由于每一个结构单元含有一个C*，因此，它们在高分子链中有三种键接方式，若高分子链中C*的两种异构体是交替出现的，此即为间同立构。
无规立构结构单元-CH2--C*HR-型的高分子，由于每一个结构单元含有一个C*，因此，它们在高分子链中有三种键接方式，若高分子链中C*的两种异构体是无规则出现的，此即为无规立构。
有规立构全同和间同立构高分子统称为有规立构。
等规度全同立构高分子或全同立构高分子和间同立构高分子在高聚物中的百分含量。
几何异构当主链上存在双键时，而组成双键的两个碳原子同时被两个不同的原子或基团取代时，即可形成顺反异构，此即为几何异构。
顺反异构当主链上存在双键时，而组成双键的两个碳原子同时被两个不同的原子或基团取代时，即可形成顺反异构，此即为几何异构。
高分子物理课后习题答案(金日光、华幼卿第三版 )
高分子物理答案（第三版）第1章高分子的链结构1.写出聚氯丁二烯的各种可能构型。
等。
2．构象与构型有何区别？聚丙烯分子链中碳—碳单键是可以旋转的，通过单键的内旋转是否可以使全同立构聚丙烯变为间同立构聚丙烯？为什么？答：（1）区别：构象是由于单键的内旋转而产生的分子中原子在空间位置上的变化，而构型则是分子中由化学键所固定的原子在空间的排列；构象的改变不需打破化学键，而构型的改变必须断裂化学键。
（2）不能，碳-碳单键的旋转只能改变构象，却没有断裂化学键，所以不能改变构型，而全同立构聚丙烯与间同立构聚丙烯是不同的构型。
3. 为什么等规立构聚丙乙烯分子链在晶体中呈31螺旋构象，而间规立构聚氯乙烯分子链在晶体中呈平面锯齿构象？答（1）由于等归立构聚苯乙烯的两个苯环距离比其范德华半径总和小，产生排斥作用，使平面锯齿形（…ttt…）构象极不稳定，必须通过C-C 键的旋转，形成31螺旋构象，才能满足晶体分子链构象能最低原则。
（2）由于间规聚氯乙烯的氯取代基分得较开，相互间距离比范德华半径大，所以平面锯齿形构象是能量最低的构象。
4.哪些参数可以表征高分子链的柔顺性？如何表征？答：（1）空间位阻参数（或称刚性因子），值愈大，柔顺性愈差；（2）特征比Cn，Cn值越小，链的柔顺性越好；（3）连段长度b，b值愈小，链愈柔顺。
5．聚乙烯分子链上没有侧基，内旋转位能不大，柔顺性好。
该聚合物为什么室温下为塑料而不是橡胶？答：这是由于聚乙烯分子对称性好，容易结晶，从而失去弹性，因而在室温下为塑料而不是橡胶。
6. 从结构出发，简述下列各组聚合物的性能差异：（1）聚丙烯睛与碳纤维；（2）无规立构聚丙烯与等规立构聚丙烯；（3）顺式聚1，4-异戊二烯（天然橡胶）与反式聚1，4-异戊二烯（杜仲橡胶）。
（4）高密度聚乙烯、低密度聚乙烯与交联聚乙烯。
7. 比较下列四组高分子链的柔顺性并简要加以解释。
解：8. 某单烯类聚合物的聚合度为104，试估算分子链完全伸展时的长度是其均方根末端距的多少倍？（假定该分子链为自由旋转链。
第三章高分子材料的结构与性能(二)
〔iv〕老化
3.3.2 高弹性
高弹态聚合物最重要的力学性能是其高弹性。
〔1〕高弹性的特点： 〔i〕弹性模量小，形变量很大；〔ii〕弹性模量与绝对温度成正比；
〔iii〕形变时有热效应； 〔iv〕在一定条件下，高弹性表现明显的松弛 现象。 〔2〕高弹性的本质
3.2.4 聚合物的熔体流动
当温度高于非晶态聚合物的Tf、晶态聚合物的Tm时，聚合物变 为可流动的粘流态或称熔融态。热塑性聚合物的加工成型大多是 利用其熔体的流动性能。
3.2.4.1 流动流谱
❖ 流谱：指质点在流动场中的运动速度分布。 ❖ 剪切流动:产生横向速度梯度场的流动 ❖ 拉伸流动:产生纵向速度梯度场的流动
材料在外力作用下发生形变的同时，在其内部还会产生对抗外 力的附加内力，以使材料保持原状，当外力消除后，内力就会使材 料回复原状并自行逐步消除。当外力与内力到达平衡时，内力与外 力大小相等，方向相反。单位面积上的内力定义为应力。
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 三种根本类型：
自由体积是分子链进行构象转变和链段运动所需的活动空间。
当聚合物冷却时，自由体积逐渐减小，当到达某一温度时， 自由体积收缩到最低值，聚合物的链段运动因失去活动空间而被 冻结，聚合物进入玻璃态。因此自由体积理论认为玻璃化温度就 是使聚合物自由体积到达某一最低恒定临界值时的温度。
Tg的影响因素
〔i〕聚合物的结构：Tg是链段运动刚被冻结的温度，而链段运动 是通过主链单键的内旋转来实现，因此Tg与高分子链的柔顺性相关， 柔顺性好，Tg低，柔顺性差，Tg高。
P
冲击头，以一定速度对试样实 施冲击
高分子材料破坏准则
高分子材料破坏准则高分子材料是一类重要的工程材料，具有广泛的应用领域。
然而，在使用过程中，高分子材料也会出现各种破坏现象，如断裂、蠕变、老化等。
为了确保高分子材料的可靠性和安全性，人们提出了一系列破坏准则。
高分子材料的断裂准则是研究和预测材料断裂行为的重要依据。
断裂是高分子材料破坏的主要形式之一，其断裂准则研究的是材料在受力过程中的断裂特性。
常见的断裂准则有线性弹性断裂准则、塑性断裂准则和粘弹性断裂准则等。
这些准则通过研究材料的应力应变关系，可以预测材料在不同应力条件下的断裂行为。
高分子材料的蠕变准则是研究和预测材料蠕变行为的重要指导。
蠕变是高分子材料在长期受力作用下产生的变形现象，其蠕变准则研究的是材料在不同温度和应力条件下的蠕变性能。
常见的蠕变准则有稳态蠕变准则、非稳态蠕变准则和热激活能蠕变准则等。
这些准则通过研究材料的应力应变关系和温度时间关系，可以预测材料在蠕变条件下的变形行为。
高分子材料的老化准则也是研究和预测材料老化行为的重要依据。
老化是高分子材料在长期使用过程中由于外界环境和内部结构的影响而导致性能下降的现象。
老化准则研究的是材料在不同老化条件下的性能退化规律。
常见的老化准则有时间温度转换准则、氧气压力准则和湿热老化准则等。
这些准则通过研究材料的老化速率、老化时间和老化温度等参数，可以预测材料在不同老化条件下的性能变化。
总结起来，高分子材料破坏准则是为了研究和预测材料的断裂、蠕变和老化等破坏行为而提出的一系列规律和准则。
这些准则通过研究材料的应力应变关系、温度时间关系和老化规律等，可以预测材料在不同条件下的破坏行为。
通过遵循这些准则，可以提高高分子材料的可靠性和安全性，保证其在工程应用中的稳定性和长寿命。
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聚合物
PS SAN PMMA PVC PC PES PEEK
nc / MPa
40 56 74 67 87 80 120
tc / MPa
48 73 49 39 40 56 62
11
高分子材料性能学
脆性断裂和韧性断裂的比较
应力-应变曲线 屈服
应变量 断裂能 断面形貌 断裂原因 断裂方式
脆性断裂 线性 无 小 小 光滑
19
高分子材料性能学
高分子材料在脆性断 裂时都能在断面上形 成镜面区、雾状区和 粗糙区这三个特征区 域
1—断裂源与镜面区；2—雾状区；3—粗糙区 图3-7有机玻璃脆性断裂面形貌
20
高分子材料性能学
镜面区：
宏观上呈现平坦光滑的半圆形镜面状，一般出现在构 件边缘或棱角处 ，是材料在断裂初始阶段主裂纹通过 单个银纹缓慢扩展形成的 应变速率越快，温度越低，材料的分子量越低， 则镜面区越小。
25
高分子材料性能学
3.2 高聚物的断裂理论
在一薄板上刻出一圆孔，施以平均拉应力σ0，在孔 边上与σ0方向成θ角的切向应力分量σt可表示为
t 0 2 0 cos 2
圆孔使应力集 中了3倍
26
高分子材料性能学
在薄板上刻一椭圆孔（长轴直径为2a，短轴直径为 2b），该薄板为无限大的虎克弹性体。在垂直于长轴
21
高分子材料性能学
雾状区：
宏观上平整但不反光，像毛玻璃。放大时能看到许 多抛物线花样，抛物线的轴线指向裂纹源。距离裂 纹源愈远，抛物线密集程度愈高。 雾状区的开始意味着次裂纹源出现扩展。
22
高分子材料性能学
粗糙区：
宏观上呈现一定的粗糙度。有时呈现与断裂源同心 的弧状肋带
（a）肋条
（b）河流状
（c）礼花状
图3-8 有机玻璃断面粗糙区形貌举例
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高分子材料性能学
（a）电镜照片
（b）形成机理
图3-9 断面上抛物线花样的电镜照片和形成机理
24
高分子材料性能学
高聚物的韧性断裂是银纹产生、发展的过程 裂纹传播过程就是裂纹尖端银纹区产生、移动
的过程。裂纹尖端高密度银纹钝化了裂纹，松弛了 应力集中。由于银纹产生很大的变形，形成银纹要 消耗更多的能量，从而提高了材料的韧性。
应力集中随平均应力的增大和裂纹尖端处半径的减 小而增大 ,尖端裂纹对降低材料的强度尤为明显
. t2
.
温度增加，韧脆转变点向低温移动，材料变韧
应变速率增加，韧脆转变点移向高温，材料变脆
14
高分子材料性能学
（2）分子量
分子量变大将减小断裂应力，Tb移向高温，高聚物变脆
拉伸强度 A B Mn
（3）支化：影响较复杂 （4）交联：增加屈服应力， Tb移向高温，材料变脆。 （5） 增塑：对屈服应力的降低比对断裂应力降低得多，
高分子材料性能学
3
3.1 断裂概述
高分子材料性能学
直接加载下的断裂
1.高分子材料 的断裂
疲劳断裂 蠕变断裂
环境应力开裂
摩损磨耗
4
高分子材料性能学
2.脆性断裂和韧性断裂
从断裂的性质来分，高分子材料的宏观断裂可分为 脆性断裂和韧性断裂两大类。
脆性断裂或韧性断裂通常是以应力—应变曲线的 形状和破坏时的断面形态来区分的。
高分子材料性能学
θ= 0º的截面上（横截面），法向应力最大 θ= 45º的截面上，切向应力最大
8
高分子材料性能学
•法向应力→抗拉伸能力→取决于分子主链的强度 （键能）→破坏→主链的断裂。 •切向应力 →抗剪切能力→取决于分子间内聚力→ 屈服→分子链的相对滑移
9
高分子材料性能学
最大抗拉伸能力为临界抗拉伸强度 nc 最大抗剪切能力为临界抗剪切强度 tc
脆性断裂
韧性断裂
5
断面形态
高分子材料性能学
脆性断裂
韧性断裂
6
高分子材料性能学
脆性断裂：法向应力分量 n
韧性断裂：切应力分量 t
n
Fn
/ A
F cos A0 / cos
F A0
cos2
0 cos2
t
Ft
/ A
F sin A0 / cos
F A0
sin
cos
1 2
0
sin
2
7
Tb移向低温。增塑的高聚物是韧性材料。
15
高分子材料性能学
PC
PMMA
Tg=150°C Tb=-20°C
Tg=100°C Tb=90°C
室温下脆还是韧？
16
高分子材料性能学
4 非晶态和半结晶态高聚物拉伸破坏过程
（1）非晶态高聚物的拉伸破坏
17
（2 ）半结晶态高聚物的拉伸破坏
高分子材料性能学
18
法向应力 主链断裂
韧性断裂 非线性 有 大 大 粗糙
剪切应力 分子间滑移
12
高分子材料性能学
3 高聚物韧-脆转变的影响因素
σb-T和σy-T曲线的交点
即为高分子材料韧脆转
变点Tb，高于这一点以
上的温度，材料总是韧 性的。
13
（1）温度和应变速率
b
高分子材料性能学
b
3章 高分子材料的断裂
高分子材料性能学
本章内容
本章将在断裂力学的基础上简要的介绍高分子材 料断裂的类型、断裂形态、断裂机理和影响因素。 主要内容:
1）高分子材料断裂概述 2）高聚物的断裂理论 3）断裂韧度
2
重点：
•脆性断裂和韧性断裂 •高聚物韧-脆转变的影响因素 •Griffith断裂理论 •应力场强因子KI •断裂韧度KIC •断裂韧度的K判据
nc tc 以主链断裂为特征的脆性断裂，断面垂直
于拉伸方向（θ= 0º），断面光滑。
nc tc 首先发生屈服，分子链段相对滑移，沿剪切
方向取向，继之发生的断裂为韧性断裂，断
面粗糙，通常与拉伸方向的夹角θ= 45º。
10
高分子材料性能学
nc tc 发生破坏时首先为脆性断裂的材料为脆性材料 nc tc 容易发生韧性屈服的材料为韧性材料
高分子材料性能学
5 断裂过程和断面形貌
断裂过程包括裂纹的引发、慢速扩展和快速扩展三个阶段
脆性断裂过程基本可分为三个阶段：
•断裂源首先在材料最薄弱处形成，一般是主裂纹通过单 个银纹扩展； •随着裂纹扩展和应力水平提高，主裂纹不再是通过单个 银纹扩展，而是通过多个银纹扩展，因而转入雾状区； •当裂纹扩展到临界长度时，断裂突然发生。
方向上视角均匀拉应力σ0，经计算可知，该椭圆孔长 轴的两端点应力σt最大，为
t
0 (1
2a ) b
椭圆长短轴之比a/b越 大，应力越集中。
b a
27
高分子材料性能学
当a>>b时，它的外形就像一道狭窄的裂纹，在这种
情况下，裂纹尖端处的最大拉应力σm可表示为
m 0 (1 2
a
)
2
0
a
a为裂纹长度一半； ρ为裂纹尖端的曲率半径