高分子材料性能学及测试

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力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为— 变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。
变形能力
力 学
材料脆性
性能表力学性材能料软硬程度
征
材料抵抗外力能力
弹性、塑性 韧性 硬度
强度
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五、材料性能的四个方面
宏观表征：表征材料性能的参数，如强度、硬度 微观本质：材料的性能是材料内部结构因素在一定
外界作用下的综合反映 影响因素：内因（材料结构），外因（温度等） 性能测试：测试原理、设备、方法
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六、高分子材料性能学的主要内容
• 高分子材料的常规力学性能 （6课时） • 高分子材料的高弹性与粘弹性 （5课时） • 高分子材料的断裂 （5课时） • 高分子材料的力学强度 （5课时） • 高分子材料的疲劳性能 （3课时） • 高分子材料的磨损性能 （3课时） • 高分子材料的热、电、磁、光学性能 （15课时） • 高分子材料的老化性能 （4课时）
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第1章 高分子材料的常规力学性能
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力学性能：高分子材料抵抗变形和断裂的能力
弹性:材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力
塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力 强度:是材料对变形和断裂的抗力 寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效
的能力 失效：材料在载荷与环境作用下服役，无法抵抗变形和断裂， 失去其预定的效能而损坏。
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二、 材料的四要素
成分/结构、制备/工艺、性质和使用性能
成分/结构、制备/工艺 决定固有性质
性质决定使用性能
使用性能决定材料 的用途
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高分子科学各课程间的联系
成分/结构、制备
加工工艺、成型
高分子化学 聚合反应工程
高分子成型与加工
理论 和物质 基础
结构与性能关系 材料的使用性能 材料的分类与应用
高分子物理
高分子材料性能学
实用 价值
高分子材料
实际 应用
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三、材料性能的概念
1.材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或 表现 2.表征材料响应行为发生程度的参数，即性能 指标（如模量、强度等）
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四、材料性能的划分
力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度 性
能 划
物理性能：热学、磁学、电学、光学
分 耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性
横向应变 轴向应变
m l
m0
l0
可以证明没有体积变化时，υ＝0.5，橡胶拉伸时就是这种情况。其他材料拉伸时，
υ<0.5.
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υ与E和G之间有如下关系式：E = 2G(1+ υ) 因为0<υ≤0.5，所以2G<E≤3G。也就是说E>G，即拉伸比剪切困难.
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八、本课程的学习方法
预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、 高分子物理
学习方法：性能的基本概念——物理本质—— 影响因素——性能指标的工程意义—— 指标的测试与评价
理论联系实际、重视实验
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八、参考书目
1. 《材料性能学》王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年 2. 《材料性能学》张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年 3. 《高分子物理》何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年 4. 《高分子物理》金日光等主编，化学工业出版社，2007年 5. 《高聚物的力学性能》何平笙编著，中国科学技术大学出版社，
高分子材料性能学及测试
一、材料分类 绪 论
• 金属材料 • 无机非金属材料 • 高分子材料 • 复合材料
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1.塑料
热固性塑料
(酚醛、脲醛等)
热塑性塑料
(PE,PP,PVC,PS,PMMA等)
塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约 107~108Pa；受力形变可达百分之几至几百。
3
天然橡胶
(聚异戊二烯)
2.橡胶： 合成橡胶
( 顺丁,丁苯,丁腈, 氯丁橡胶)
室温弹性高；形变大（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小， 约105~104Pa。
4
聚酯纤维(涤纶，如PET) 聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶） 3.纤维 腈纶(PAN) 丙纶(PP) 维纶（PVA）
弹性模量较大，约109~1010Pa。 形变小，机械性能随温度变化不大
常见的三大失效形式：磨损、腐蚀、断裂
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1.1 力学性能的基本指标
1.1.1 应力与应变
当材料受到外力作用，它所处的条件又不能产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会 发生变化，这种变化就称为应变，亦可称为形变。
定义单位面积上的附加内力为应力。
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（1）简单拉伸 外力F是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个力.
材料受到的力F是与截面相平行、大小相等、方向相反的两个力。这时材料将 发生偏斜，偏斜角的正切值定义为切应变γ
A0
F
F
剪切应变： γ tan θ
剪切应力：wk.baidu.com F
A0
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（3）均匀压缩
材料受到的是围压力（流体静压力）P。发生体积形 变，体积由V0缩小至V。
压缩应变：
A0
V
V 0V V0
V V0
2008年 6. 《高分子材料强度及破坏行为》傅政编，化学工业出版社，
2005年 7. 《高分子材料强度学》朱锡熊等编，浙江大学出版社，1992 年 8. 《高分子概论》代丽君等主编，化学工业出版社，2006年 9. 《高分子材料概论》吴奇晔等编，机械工业出版社，2004年 10. 《近代高分子科学》张邦华等编，化学工业出版社，2006年
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1.1.2 弹性模量
单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易 形变程度的一种表征。
拉伸模量（杨氏模量）E： 剪切模量（刚性模量）G： 压缩模量（本体模量）K：
E
G
K
P
V
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泊松比
材料在拉伸时，不仅有轴向伸长，同时有横向收缩。横向应变对轴向应变之比称 为泊松比，以ν 表示
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七、本课程的主要学习任务
1.掌握高分子材料各种主要性能的宏观规律、物理 本质和工程意义 2.了解影响高分子材料性能的主要因素 3.掌握改善或提高高分子材料性能指标主要途径 4.了解高分子材料性能测试的原理、方法及相关仪 器设备 5.初步具备选用高分子材料、开发新型高分子材料 的必备基础知识与基本技能
F
A0
l0
l F
A
拉伸应变： l l0 l
l0
l0
l
拉伸应力： F
A0
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真应力-真应变
真应力：
真
F A
真应变:
真
d
0
l dl
l
ln
l0 l
l0
,真
真
ln l l0
ln l0
l0
l
ln(1
)
真应力-应变曲线 工程应力-应变曲线
,真
真 (1 ) 证明？
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（2）简单切变