聚合物的力学性能
聚合物的力学性能
(
S l
)T
,V
[ l
( G T
)l,P
]T
,V
[ T
(
G l
)T
,P
]l
,V
( f T
)l ,V
(
S l
)T
,V
( f T
)l ,V
这是一个重要的转换关系，它表明恒温条 件下，随试样的单位伸长的熵变，可通过固定 伸长时拉伸力随温度变化（温度系数）得到。 它可从实验中测量。
拉伸韧性（断裂能Fracture energy）
O
d 应力-应变曲线下的面积称作断裂能
应力－应变曲线类型：
σ
a、硬而脆的材料应力-应
变曲线（脆性断裂）
主要有：低分子量的PS、 酚醛树脂、环氧树脂
ε
b、半脆性（延性）固体应力-应变曲线 先屈服后断裂-韧性断裂 如：硬PVC、PS、PMMA
σ
第六章 聚合物的力学性能
一、聚合物的力学性能的内涵
力学性能
形变性能 断裂性能
普弹 弹性
高弹
粘性 粘弹性 强度
韧性
固体高分子材料的力 学性能，也就是研究 受力后，它的尺寸稳 定性和强度问题，或 者说是形变的特征和 破坏的规律问题。
研究力学性能有两个相关的目的。 1、获得描述聚合物力学行为的数据和一般规律。 2、深入了解力学性能与分子结构的内在联系。
泊松比
<0.5
拉伸时的比容
增加
弹性模量 Kg/cm2
104 ～2x106
升温时的E
E↓
形变速度
与应力同时产生
形变对T的依赖性
很少
本质
第十一章 聚合物的力学性能
①原因：受力高分子材料中的分子链段顺外力作用 方向运动，使应力下降，线性聚合物应力可降至零， 交联聚合物应力下降到一定值后维持不变。 ②特征：温度过高或过低，应力松弛过快或过慢都不 易观察，只有在玻璃态向高弹态过渡的区域内，应力 松弛最明显。
高 分 子 化 学 及 物 理
第 十 一 章
聚合物的力学性能
第 11章
聚合物的力学性能
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，即材料在外力作 用下的形变及破坏特性，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。
11.１ 表征力学性能的基本物理量 （1）应变与应力
P
d b
l0/2 l0/2
抗弯强度测定试验示意图
（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。 试样断裂时吸收的能量等于断裂时冲击头所做的功W，因此冲 击强度为： i = W / bd
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。
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。当外力与内力达到平衡 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。
聚合物材料的力学性能与应用研究
聚合物材料的力学性能与应用研究聚合物是指由单体经聚合反应而成的高分子化合物，是材料科学领域中的一个重要研究方向。
聚合物由于具有优异的物理化学性质，广泛应用于各个领域中。
其中，聚合物材料的力学性能一直是研究的热点，对于实际应用有着重要的意义。
1. 聚合物材料力学性能的影响因素聚合物材料的力学性能受到多个因素的影响，包括结构、成分、加工工艺等。
其中，聚合物的结构对于其力学性能起着决定作用。
聚合物结构的一般特征主要取决于两种基础单位的组成比例和聚合反应的方式。
一种基础单位是链端上的单体——它构成了聚合物主体结构的基础；另一种是构成了链之间交联的单体——交联单体，它使聚合物成为一个三维结构，有利于提高聚合物的力学强度。
此外，分子量也是影响聚合物材料力学性能的因素之一，分子量越大，聚合物的强度、韧性和耐热性都会有所提高。
除了结构，成分也是影响聚合物材料力学性能的重要因素之一。
聚合物材料成分的差异会对聚合物的应力应变特性、刚度、弹性、热应力等产生明显影响。
例如，将不同的单体混合在一起聚合，可以得到具有不同性质的材料。
2. 聚合物材料力学性能的应用研究由于聚合物材料的力学性能十分重要，因此相关的应用研究也是不可或缺的。
目前，聚合物材料的应用范围非常广泛，主要包括以下几个方面。
（1）高分子合成高分子材料的制备是聚合物材料应用研究领域的重要方向之一。
通过合成不同类型的聚合物材料，可以得到具有不同性质的高分子材料，满足不同领域的应用需求。
例如，具有良好热稳定性和机械性能的聚酰亚胺材料被广泛应用于电子、航空、汽车等领域中。
（2）高分子复合材料高分子复合材料是应用最广泛的一种高分子材料，它是由两种或两种以上的材料组合而成，具有更加优异的物理、化学性质和机械性能。
例如，聚碳酸酯和玻璃纤维复合材料被广泛应用于汽车、航空等领域。
由于其具有优异的耐冲击性能，被用作制造车门、车顶等大型车身部件。
（3）高分子防护材料高分子防护材料是指具有优异的耐磨损、耐划伤、耐撞击、耐化学腐蚀等性能的材料。
聚合物材料的力学性能
聚合物材料的力学性能第十章聚合物材料的力W性能§10-1聚合物材料的Yc性能特c分子品|大於1f以上的有C化合物Q楦叻肿硬牧希是由S多小分子聚合而成，故又Q榫酆衔锘蚋呔畚铩原子之g由共rIY合，Q橹rI；分子之g由范德瓦IB接，Q榇rI。
分子g次rI力之和h超^分子中原子g主rI的Y合力。
拉伸r常常先l生原子I的嗔选聚合物的小分子化合物Q误w，M成聚合物L的基本Y卧tQ殒。
聚合物L的重}的浚Q榫酆隙取天然的聚合物有木材、橡z、棉花、z、毛和角等。
人工合成聚合物有工程塑料、合成wS、合成橡z等一、聚合物的基本Y1、高分子的型（近程Y）由化WI所固定的缀涡睢―指高分子的化WM成、I接方式和立w型等。
D9―1。
(D9―2)。
L支、短支；型交分子、三S交分子。
由煞N以上Y误w聚合而成的聚合物Q楣簿畚铩聚合物的Y晶很y完全。
（共聚物的追N形式如D9―3。
）2、高分子的象（h端Y）一根巨分子L在空g的排布形象，Q榫薹肿渔的象。
otF、伸展、折B、螺旋等象(D9―5)。
3、聚合物聚集BY聚集BY包括晶BY、非晶BY及取向。
晶^c非晶^共存。
Y晶度＜98％，微晶尺寸在100A左右。
非晶BY的高分子多呈otF形B。
在外力作用下，聚合物的L沿外力方向排列的形BQ聚合物的取向。
4、高分子材料Y特徵w{：聚合物檠}合物（∵各巨分子的分子量不一定相同）⑴；聚合物有型、象的化；⑵分子之g可以有各N相互排列。
⑶二、性能特c(1)密度小；(2)高性；(3)性模量小（度差）；(4)粘性明@。
§10-2型非晶B聚合物的形型非晶B聚合物是指Y上o交、聚集BoY晶的高分子材料。
S囟炔煌而化，可於玻璃B、高B和粘流B三N力WB(D9―7) tb一脆化囟tg一玻璃化囟tf一粘流囟D9―8榉蔷B聚合物在不同囟认碌力一曲。
一、玻璃B下的形＜tb 聚合物於硬玻璃B，只有性形A段，且伸L率很小。
靠主IIL的微量伸s和微小的I角化F性形。
聚合物的力学性能与分子结构
聚合物的力学性能与分子结构在我们的日常生活和众多工业领域中，聚合物材料扮演着举足轻重的角色。
从塑料制品到橡胶制品，从纤维材料到涂料胶粘剂，聚合物无处不在。
而决定这些聚合物材料性能优劣的关键因素之一，便是其力学性能与分子结构。
首先，让我们来了解一下什么是聚合物的力学性能。
简单来说，力学性能就是聚合物在受到外力作用时所表现出的特性。
这包括强度、刚度、韧性、延展性、耐磨性等等。
比如，塑料椅子需要有足够的强度来承受人的体重，汽车轮胎则需要具备良好的韧性和耐磨性。
那么，聚合物的分子结构又是如何影响这些力学性能的呢？分子结构就像是聚合物的“基因密码”，决定了它的性质。
分子链的长度是一个重要因素。
一般来说，分子链越长，聚合物的强度和粘度往往越高。
想象一下，一条长长的分子链就像一根长长的绳子，众多这样的长链交织在一起，形成了一个强大的网络，使得材料更能抵抗外力的破坏。
分子链的柔性也对力学性能有着显著影响。
柔性好的分子链能够更容易地弯曲和变形，从而使聚合物具有较好的延展性和韧性。
比如，橡胶的分子链就具有很高的柔性，所以它能够被拉伸很大的程度而不断裂。
分子链的规整度同样不容忽视。
规整度高的分子链能够更紧密地排列，分子间的相互作用力更强，从而提高聚合物的强度和刚度。
而规整度低的分子链排列较为混乱，材料的性能相对就会较差。
除了分子链本身的特性，分子间的相互作用也在很大程度上决定了聚合物的力学性能。
分子间如果存在较强的氢键、范德华力等相互作用，会使得聚合物具有更高的强度和耐热性。
此外，聚合物的交联结构也会对力学性能产生重大影响。
交联就像是在分子链之间搭建了“桥梁”，使得整个结构更加稳固。
高度交联的聚合物通常具有优异的强度和耐热性，但延展性会较差；而交联程度较低的聚合物则具有较好的延展性，但强度相对较低。
为了更直观地理解这些概念，我们以聚乙烯（PE）为例。
高密度聚乙烯（HDPE）具有较高的结晶度和规整度，分子链排列紧密，因此具有较高的强度和硬度；而低密度聚乙烯（LDPE）的结晶度和规整度较低，分子链排列较为疏松，所以它的强度和硬度相对较低，但延展性更好。
第十二章 聚合物的力学性能
12.1.3高分子的聚集态结构
聚合物内大分子间的排列构成聚集态结构。 普通物质的聚集态可分为气体、液体、固体， 但聚合物内分子很大，因而分子间作用力也大， 很容易聚集成固体或高温熔体，进一步提高温 度，聚合物便分解，不从在气体。 聚合物分为晶体和非晶体两类。无规聚合 物通常难以结晶，在实际的冷却速度下进入非 结晶的玻璃态；而规整聚合物易于结晶，只能 通过速冷，使之成为“冻结”的过冷液体而进 入玻璃态。一般情况下，规整聚合物由晶区和 非晶区混杂组成。
这一区域高分子链节的振幅加大， 键的内旋转开始，这一转变区的宽度约 5℃～20℃，松弛模量可变化几个数量级， 粘弹性的特征表现特别明显。 这一转变的特征温度是玻璃化转变 温度Tg。这一转变区也用曲线的拐点温度 Ti[E(10s)约为108N/m2处]和在该点的负 斜率－tanθ来表征，通常Ti和Tg仅相差 几度。
12.3.1
拉伸应力－应变曲线
图12－5（a）表示两种非晶态聚合物聚
氯乙稀和聚苯乙烯的拉伸应力－应变曲线，
图12－5（b）表示三种晶态聚合物聚四
氟乙烯、聚乙烯和聚三氟氯乙烯的拉伸应力－ 应变曲线。从这两张图可以见到几种变形方式： （1）聚苯乙烯是一种硬而脆的材料，具有 很高的模量和强度，断裂伸长率很低，没有明 显的屈服。
第十二章 聚合物的力学性能
12.1 聚合物的结构特点与力学状态 12.2 聚合物的时间效应和时—温等 效原理 12.3 聚合物的力学性能
聚合物具有很大的分子量，高分子化合物 的分子运动比低分子复杂，具有明显的松弛特 征，对温度的依赖性很大，聚合物的力学性能 不仅取决于分子结构，在更大程度上还取决于 这些分子排列、堆砌的聚集态结构。聚合物材 料的原料丰富，合成方便，易于加工。 近年来按人们希望的性质来设计聚合物也 取得突破性进展，使之成为结构材料。由于这 些原因，聚合物材料发展迅速，在整个使用材 料中，聚合物所占的比例正在不断增加。
聚合物材料的力学性能研究
聚合物材料的力学性能研究一、引言聚合物材料因其优异的物理性质和低成本的生产工艺在工业中被广泛使用，然而聚合物材料的力学性能成为了影响其应用范围的一个关键因素。
在工程应用中，聚合物材料必须具备一定的力学性能，例如强度、韧性、刚度等。
因此，研究聚合物材料的力学性能具有极其重要的意义。
本文将分别从强度、韧性和刚度三个方面探讨聚合物材料的力学性能研究。
二、聚合物材料的强度研究强度是指受力材料最大承受力的能力。
在聚合物材料中，强度受到化学结构、晶化程度和制备工艺等因素的影响。
其中，聚合物的化学结构对其强度性能的影响最大，因为它决定了聚合物的分子量、分子量分布和化学键的类型和数量。
此外，影响聚合物材料的强度还包括晶化程度和制备工艺等因素。
研究表明，化学结构和分子量是影响聚合物材料强度的最主要因素。
其中，分子量的大小和分子量分布的宽窄对聚合物材料的强度影响极大。
较高的分子量和较窄的分子量分布可以提高聚合物材料的强度。
而分子量过高或分子量分布过窄会导致聚合物材料的加工难度增加，从而影响其生产工艺。
此外，化学结构的差异也会对聚合物材料的强度产生不同的影响。
例如在聚乙烯和聚丙烯等同属于烯烃类聚合物材料中，不饱和度的增加会降低其强度，而在芳香族聚合物材料中，饱和度的增加反而会降低其强度。
三、聚合物材料的韧性研究韧性是指材料在受冲击载荷时形变和吸收能量的能力。
聚合物材料的韧性受到其结晶度、分子量和分子量分布等因素的影响。
研究表明，增加聚合物材料的结晶度可以提高其韧性。
这是由于高结晶度会使聚合物分子之间的相互作用变强，从而增加聚合物材料的强度和韧性。
分子量和分子量分布的影响也与强度类似，即分子量和分子量分布的增加可以提高聚合物材料的韧性，但过高的分子量和过窄的分子量分布会影响材料的加工和生产。
此外，制备工艺也对聚合物材料的韧性产生影响。
例如，在高速注塑成型中，熔融聚合物材料受到剪切力的作用，从而影响其晶化程度和结晶形态，进而影响聚合物材料的韧性。
第十章聚合物材料的力学性能
第十章聚合物材料的力学性能§10-1聚合物材料的结构与性能特点分子质量大于1万以上的有机化合物称为高分子材料，是由许多小分子聚合而成，故又称为聚合物或高聚物。
原子之间由共价键结合，称为主价键；分子之间由范德瓦尔键连接，称为次价键。
分子间次价键力之和远超过分子中原子间主价键的结合力。
拉伸时常常先发生原子键的断裂。
聚合物的小分子化合物称为单体，组成聚合物长链的基本结构单元则称为链节。
聚合物长链的重复链节数目，称为聚合度。
天然的聚合物有木材、橡胶、棉花、丝、毛发和角等。
人工合成聚合物有工程塑料、合成纤维、合成橡胶等一、聚合物的基本结构1、高分子链的构型（近程结构）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。
见图9-1。
(图9-2)。
长支链、短支链；线型交联分子链、三维交联分子链。
由两种以上结构单体聚合而成的聚合物称为共聚物。
聚合物的结晶很难完全。
（共聚物的几种形式如图9-3。
）2、高分子链的构象（远程结构）一根巨分子长链在空间的排布形象，称为巨分子链的构象。
无规则线团链、伸展链、折叠链、螺旋链等构象(图9-5)。
3、聚合物聚集态结构聚集态结构包括晶态结构、非晶态结构及取向。
晶区与非晶区共存。
结晶度＜98％，微晶尺寸在100A左右。
非晶态结构的高分子链多呈无规则线团形态。
在外力作用下，聚合物的长链沿外力方向排列的形态称为聚合物的取向。
4、高分子材料结构特征归纳：⑴聚合物为复合物（∵各个巨分子的分子量不一定相同）；⑵聚合物有构型、构象的变化；⑶分子之间可以有各种相互排列。
二、性能特点(1)密度小； (2)高弹性； (3)弹性模量小（刚度差）；(4)粘弹性明显。
§10-2线型非晶态聚合物的变形线型非晶态聚合物是指结构上无交联、聚集态无结晶的高分子材料。
随温度不同而变化，可处于玻璃态、高弹态和粘流态三种力学状态(图9-7)tb一脆化温度 tg一玻璃化温度 tf一粘流温度图9-8为非晶态聚合物在不同温度下的应力一应变曲线。
聚合物的力学性能
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。
若链段运动的松弛时间与外力作用速率相适应，材料在断裂
前可发生屈服，出现强迫高弹性，表现为韧性断裂
若外力作用时间越短，链段的松弛跟不上外力作用速率，为
使材料屈服需要更大的外力，材料的屈服强度提高，材料在断裂
前不发生屈服，表现为脆性断裂
所以，降低温度与提高外力作用速率有同样的效果，
这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。
的冷拉，由于局部的高度拉伸应变（1000％），造成了很大的横
向收缩，这种局部的收缩要大于材料整体的横向收缩，结果在局
部性的取向链束或片层间形成一定的空的体积，并在表面上出现
凹槽。也可以发生在材料内部形成内银纹。
精选课件
27
第八章 聚合物的力学性能
3.产生银纹的结果：
①银纹可发展成裂缝，使材料的使用性能降低。
强
度
B
＝A ，断裂强度
Mn
分子量
精选课件
33
第八章 聚合物的力学性能
②取向与结晶的影响
结晶度增加，强度增加韧性下降以PE为例。
聚乙烯强度与结晶度的关系
性形变(plastic deformation )（强迫高弹形变）、应变硬化四
个阶段
精选课件
11
第八章 聚合物的力学性能
σ
B
Y
σ
第八章聚合物的力学性能
3）聚合物的屈服应力对应变速率有依赖性，随应 变速率增加屈服应力增加；
4）聚合物的屈服应力随温度的增加而降低，到达 玻璃化温度时屈服应力降低为零； 5）聚合物可以产生两种形式屈服：银纹屈服和剪 切屈服；
一、银纹屈服——Craze 聚合物受到张应力作用后，
由于应力集中产生分子链局部取向和塑性变形，在材料表 面或内部垂直于应力方向上形成的长100、宽10、厚为微米 左右的微细凹槽或裂纹的现象。
可以向真应力—应 变曲线作出两条切 线，说明试样受力 会屈服并稳定发展， 直至所有试样都细 颈化。
§8-3 聚合物的屈服
1）聚合物材料的屈服应变比一般材料的屈服应变 大的多。金属材料的屈服应变一般为0.01或更小， 而高分子材料的屈服应变可达0.1~0.2左右；
2）许多聚合物屈服后随应变增加应力反而有一定 的下降——应变软化现象；
σ
在高拉伸速度下 σY >σB，导致试样在未发生屈 服就断裂。因此只有在较慢的拉伸速度下，玻璃态 聚合物的强迫高弹形变才可以发生。
3）分子结构 分子链柔性好的聚合物不容易在玻璃态下发生 强迫高弹形变，而刚性链聚合物却相对容易发生强 迫高弹形变。 1）柔性链聚合物形成玻璃态时分子链堆砌非常紧 密，链段活动空间很小，在玻璃态下链段运动非 常困难，需要很大外力才能使链段发生运动。所 以柔性链聚合物在玻璃态下难以发生强迫高弹形 变———Tb较高。 2）刚性链聚合物冷却成玻璃态时分子链之间堆砌 的比较松散，链段活动余地很大，施加不太大的 外力作用链段的运动就可以发生，容易出现强迫 高弹形变——Tb较低。
三、聚合物应力— 应变曲线的类型
五种应力-应变曲线的特征
类型
硬而脆 硬而强 强而韧 软而韧 软而弱
模量
聚合物的力学性能名词解释
聚合物的力学性能名词解释聚合物是一种由单体通过化学反应连接而成的大分子化合物。
由于其独特的结构和性质，聚合物在各个领域中都有广泛的应用，包括塑料、纺织品、电子器件等。
聚合物的力学性能是衡量聚合物材料质量和可用性的关键指标之一。
本文将对聚合物力学性能中常见的名词进行解释。
1. 弹性模量弹性模量是衡量聚合物材料抵抗形变和恢复能力的指标。
当受到外力作用时，聚合物会发生形变，但在去除外力后能够恢复到原来的形态。
弹性模量越大，聚合物的恢复性能越好。
弹性模量可以用来评估材料的硬度和刚性。
2. 屈服强度屈服强度是指聚合物材料在拉伸过程中发生塑性变形的临界点。
在超过屈服强度之前，聚合物材料呈现出线性弹性变形。
当外力达到一定水平时，材料会突然发生非线性塑性变形，即超过了屈服强度。
屈服强度的高低反映了聚合物材料的抗拉性能。
3. 强度强度是衡量聚合物材料抵抗破坏和承受外部力的能力的指标。
通常以材料的最大承载能力来衡量。
强度高的材料具有更好的耐久性和抗破坏能力。
4. 断裂韧性断裂韧性是指聚合物材料在断裂前能吸收的能量。
它反映了材料的抗冲击和抗破坏能力。
聚合物材料如果具有高的断裂韧性，意味着它具有更好的抗冲击和破坏能力。
5. 耐磨性耐磨性是指聚合物材料抵抗磨损和磨损程度的能力。
耐磨性好的材料表面不容易磨损和磨损，能够更好地抵御摩擦和刮擦。
6. 硬度硬度是衡量材料抵抗外力侵蚀的能力。
在聚合物材料中，硬度与材料的结构、分子链长度以及交联程度有关。
硬度高的材料通常具有较好的抗刮擦和抗磨损能力。
7. 压缩性能压缩性能指材料在受到压缩作用时的变形性能。
聚合物材料的压缩性能包括压缩模量、压缩强度等指标。
良好的压缩性能意味着材料在承受压力时能保持稳定的形态和性能。
8. 拉伸性能拉伸性能是指聚合物材料在拉伸作用下的变形性能。
它包括拉伸模量、拉伸强度、延展性等指标。
拉伸性能的好坏直接影响材料的可塑性和可延展性。
9. 表观粘度表观粘度是指聚合物材料在流动过程中阻力的大小。
聚合物材料的分子结构和力学性能研究
聚合物材料的分子结构和力学性能研究聚合物材料是一种重要的功能性材料，具有很好的物理化学性质和广泛的应用领域。
聚合物材料的性能与其分子结构密切相关，因此研究聚合物分子结构以及力学性能十分必要，可以为聚合物材料的设计和应用提供理论依据和指导。
本文将从聚合物分子结构和力学性能两个方面，探究聚合物材料的研究现状和发展趋势。
一、聚合物分子结构的研究聚合物材料通常由反应单体通过化学键连接而成，其分子结构包括聚合度、分子量、亚基排布等。
其中聚合度是指单个聚合物分子中单体的重复次数，分子量则是指聚合物分子中所有单体的相对分子质量之和。
聚合度和分子量直接影响聚合物的物理化学性质，因此对其研究具有重要意义。
目前，以核磁共振、质谱、色谱等技术为基础的分析方法可以较为准确地确定聚合物的分子结构。
例如，利用氢核磁共振技术可以确定聚合物分子内各种产物的数量、结构和排布情况。
但是，由于聚合物材料的结构较为复杂，因此需要多种分析方法相互配合，才能得到相对准确的结构信息。
二、聚合物力学性能的研究聚合物材料的力学性能是与其分子结构密切相关的重要性能指标。
一般来说，聚合物材料的力学性能包括弹性模量、屈服强度、断裂韧度等多个方面。
这些性能指标对于聚合物材料的应用有着重要的参考意义。
以弹性模量为例，其表示聚合物材料在受力情况下，单位应变产生的恢复力大小。
聚合物材料的弹性模量与其分子结构中的键长、键角等参数密切相关。
通过分子模拟等方法，可以模拟出聚合物材料受力情况下的分子构象和动力学过程，并预测相应的力学性能指标。
这为聚合物材料的设计和应用提供了有效的理论支撑。
三、未来的发展趋势随着科技的不断进步，聚合物材料的分子结构和力学性能研究也将面临新的挑战和发展机遇。
首先，利用人工智能、机器学习等技术，可以进一步提高聚合物材料分子结构的分析精度和力学性能的预测准确性。
其次，通过建立聚合物材料分子结构与力学性能之间的定量关系，可以实现聚合物材料的智能化设计和材料优化。
聚合物材料力学性能测试方法比较
聚合物材料力学性能测试方法比较聚合物材料是一类具有高分子量的大分子化合物，具有良好的力学性能和化学稳定性，广泛应用于汽车、航空航天、电子、建筑等领域。
为了评估和比较不同聚合物材料的力学性能，科学家们开发了各种测试方法。
本文将比较几种常用的聚合物材料力学性能测试方法。
1. 拉伸测试方法拉伸测试是评估材料抗拉强度、断裂伸长率、弹性模量等力学性能的常见方法。
在拉伸测试中，材料在不断施加力的作用下，沿着其长度方向逐渐拉伸，记录下载荷和伸长量的变化。
通过伸长量与载荷之间的关系，可确定材料的力学性能。
2. 压缩测试方法压缩测试用于评估材料在受到压缩作用下的性能。
材料在压缩测试中受到垂直于其面积方向的力，并测量材料的应力应变关系。
通过压缩测试，可以确定材料的压缩强度、弹性模量等力学性能。
3. 弯曲测试方法弯曲测试是评估材料在受到弯曲力作用下的性能的方法。
材料在弯曲测试中受到两个力的作用，使其发生弯曲变形。
通过测量材料在不同载荷下的应变量和挠度，可以确定材料的弯曲强度、弯曲模量等力学性能。
4. 硬度测试方法硬度测试用于评估材料表面抗压、抗刮、抗穿刺等力学性能。
常用的硬度测试方法包括洛氏硬度测试、布氏硬度测试、维氏硬度测试等。
这些方法通过在材料表面施加一定的载荷，测量形成的痕迹的大小来评估材料的硬度。
5. 冲击测试方法冲击测试用于评估材料在受到突然冲击或冲击载荷下的性能。
常见的冲击测试方法包括冲击韧性试验、冲击强度试验等。
通过施加冲击载荷，测量材料的断裂韧性和抗冲击能力，可以评估材料的力学性能。
不同的聚合物材料力学性能测试方法有各自的优缺点，选择适合的方法取决于具体的测试需求。
拉伸、压缩和弯曲测试方法较为常用，适用于评估聚合物材料的静态力学性能。
硬度测试方法简单快捷，适用于快速比较不同材料的硬度。
而冲击测试方法则更适用于评估材料在受到突然冲击或冲击载荷下的性能。
除了选择合适的测试方法，还需要注意测试条件的标准化。
有机化学中的聚合物的性能与性能测试
有机化学中的聚合物的性能与性能测试聚合物是由许多重复单元组成的高分子化合物，它们在有机化学领域扮演着重要的角色。
聚合物的性能对于其应用领域具有决定性的影响。
因此，准确评估聚合物的性能并进行性能测试对于研究和应用有机化学至关重要。
聚合物的性能包括力学性能、热性能、电学性能等多个方面。
力学性能是指聚合物的强度、硬度和柔韧性等特性。
热性能则关注聚合物在高温和低温下的稳定性和可用温度范围。
电学性能涉及到聚合物的导电性、介电性和电子输运性能等。
下面将分别介绍聚合物在这些性能方面的测试方法。
一、力学性能测试1. 抗拉强度和伸长率测试力学性能中最基本的指标是聚合物的抗拉强度和伸长率。
这些指标可以通过拉伸试验来测量。
拉伸试验使用一个拉伸机，将聚合物样品拉伸，测量拉伸前后的变形，从而计算出抗拉强度和伸长率。
2. 硬度测试硬度是聚合物抵抗局部永久形变的能力。
常用的硬度测试方法包括洛氏硬度测试和巴氏硬度测试。
这些测试方法通过测量在一定加载下产生的印痕大小来评估聚合物的硬度。
3. 冲击强度测试聚合物的冲击强度是评估其耐冲击性能的指标。
冲击强度测试常用的方法有Charpy冲击试验和Izod冲击试验。
这些试验使用标准冲击试验机，将标准形状的试样进行冲击，测量所产生的断裂面积来评估聚合物的冲击强度。
二、热性能测试1. 热分解温度测试热分解温度是指聚合物在高温下开始分解的温度。
热分解温度测试可以使用热重分析仪进行。
该仪器通过加热聚合物样品，并同时测量其质量的变化，从而确定热分解温度。
2. 玻璃化转变温度测试玻璃化转变温度是指聚合物在温度下从玻璃态转变为橡胶态的温度。
玻璃化转变温度测试可以使用差示扫描量热仪进行。
该仪器通过测量样品在加热和冷却过程中的热流量差异，从而确定玻璃化转变温度。
三、电学性能测试1. 电导率测试电导率是衡量聚合物导电性能的指标。
电导率测试可以使用四探针电阻率计进行。
该仪器利用四根探针对聚合物样品施加电流，测量电压差来计算电导率。
第八章聚合物的力学性能
橡胶拉伸－回缩和拉伸－压缩循环应力－应变曲线
表征滞后现象参数：储存模量、损耗模量(或复数模 量)损耗角正切
四、粘弹性力学模型
理想模型：理想弹簧和理想粘壶 理想弹簧：代表符合虎 克定律的理想固体
E / D
应力松弛过程总形变恒定，有：
d 1 d 0 dt E dt
d E dt
(t) 0et /
t = 0－τ，有： 0 / e 0.370
2、伏伊特模型
结构：由一个理想弹黄与一 σ1
E
ησ2
个理想粘壶并联而成，如图
1 2
定义：高分子材料在交变应力作用下，形变落后于应力 的现象
橡胶轮胎应力和应变随时间的变化曲线，如图 滞后现象，如图
原因：高分子材料也是一个松弛过程
影响因素： 1.) 化学结构； 2.) 外力作用频率、温度等
对聚合物性能的影响：
1.) 如果使用的聚合物发生了滞后现象，则在每一个循 环中都要消耗功－力学损耗；这种消耗功转变成热 能释放出来，会导致聚合物本身的温度升高，从而 影响材料的使用寿命；
晶态聚合物的拉伸： 晶态聚合物典型的应力-应变曲线，如图
未经拉伸的晶态聚合物中，其微晶排列是杂乱的， 拉伸使得晶轴与外力方向不同的微晶熔化，分子链沿 外力方向取向再重排结晶，使得取向在熔点以下不能 复原，使得产生的形变也不能复原，但加热到熔点附 近形变能复原，因此晶态聚合物的大形变本质上也属 高弹性
0
E0
0
E
1
exp
t
工程力学第8节 聚合物、陶瓷材料的力学性能
表11-3 聚合物及其他材料的抗拉强度
名称
低压聚乙烯 （PE） 尼龙-610
• 聚合物的主要机械、力学性能
1）聚合物为密度最小的工程材料，其密度一般为 1000~2000kg/m3，仅为钢铁材料的1/8~1/4，不到 工程陶瓷密度的一半。重量轻、强重比大是聚合 物的突出优点。
2）聚合物的弹性变形量可达到100%~1000%，而一 般金属材料只有0.1%~1.0%。
3）聚合物刚度差, 弹性模量约为0.4~4.0GPa，而一般 金属材料为50~300GPa。
• 陶瓷材料的断裂特 征：绝大多数陶瓷 材料在常温下拉伸 或弯曲，均不产生 塑性变形，呈现脆 性断裂的特征，如 图所示。
• 陶瓷材料弹性变形特点
1）与金属材料相比弹性模量大（见表 11-4），陶瓷 材料的弹性模量不仅与结合键有关，还与其组成 相的种类、分布比例及气孔率有关。因此陶瓷的 成型与烧结工艺对弹性模量影响重大。
• 新型工程陶瓷：采用高纯、超细的人工合成材料， 精确控制其化学组成，经过特殊工艺加工而得到的 结构精细、力学性能和热学性质优良的陶瓷材料。 常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝和 氧化锆增韧陶瓷。
• 工程陶瓷材料的力学性能特点：耐高温、硬度高、 弹性模量大、耐磨损、抗腐蚀、抗蠕变能力强。
例如：在发动机上使用高性能工程陶瓷材料，除 耐磨、耐腐蚀外，还由于材料耐高温，无需冷却系 统，可使热效率提高20%，发动机重量减轻20%， 耗油量降低30%以上。
73
240
190 110
聚合物材料的力学性能与变形行为分析
聚合物材料的力学性能与变形行为分析聚合物材料是一类具有广泛应用前景的材料，它们以其轻质、高强度和易加工性而备受关注。
在工程应用中，了解聚合物材料的力学性能和变形行为对于设计和优化材料结构具有重要意义。
本文将从力学性能和变形行为两个方面对聚合物材料进行分析。
一、力学性能的分析聚合物材料的力学性能主要包括强度、韧性、刚度和耐久性等指标。
首先讨论聚合物材料的强度。
聚合物材料的强度通常以拉伸强度、弯曲强度和压缩强度来表示。
拉伸强度指的是在拉伸加载下，材料能够承受的最大应力。
弯曲强度是指材料在弯曲加载下，能够承受的最大应力。
压缩强度则是指材料在受到压缩力作用时能够承受的最大应力。
这些强度指标既反映了聚合物材料的抗拉强度、抗弯强度和抗压强度，也对于材料的应用范围和使用寿命有着重要影响。
其次，韧性是评价聚合物材料的抗断裂能力的指标。
韧性可以通过测量断裂伸长率、断裂能量以及冲击韧性等来表征。
断裂伸长率是指材料在拉伸断裂时，断裂前后的长度差与断裂前的原始长度之比。
断裂能量则是指材料在断裂过程中吸收的能量。
冲击韧性则是评价材料在冲击加载下的抗冲击性能。
此外，刚度是描述聚合物材料抵抗变形的能力。
聚合物材料的刚度可以通过弹性模量来表征，弹性模量越大，意味着材料越难发生变形，刚度越高。
刚度与材料的应变硬化特性和空隙率等因素密切相关。
最后，耐久性是指材料在长期使用过程中能够保持其力学性能稳定的能力。
聚合物材料的耐久性主要包括抗疲劳性、耐腐蚀性和耐温性等。
抗疲劳性指材料在反复加载下不断延伸其使用寿命。
耐腐蚀性和耐温性则是指材料在恶劣环境条件下能够保持其性能不受损害。
二、变形行为的分析聚合物材料的变形行为是指材料在外界力的作用下产生的形变和位移现象。
聚合物材料的变形行为可以分为弹性变形、塑性变形和破坏性变形。
弹性变形是指材料在受力作用下，能够恢复到原始形状的变形过程。
聚合物材料的弹性变形主要受到材料的弹性模量和材料结构的影响。
第六章聚合物的力学性能
第六章聚合物的⼒学性能第六章聚合物的⼒学性能对于⼤部分应⽤⽽⾔，⼒学性能⽐⾼聚物的其它物理性能显得更为重要。
⾼聚物作为材料使⽤时，⼈们⾸先关⼼的是它们是否牢固、耐⽤。
⼒学性能中有两种“性能”：⼀个是着重于物理特性的“基本性能”；另⼀个是着重于实际应⽤的“技术性能”。
这两者之间并不⽭盾。
但为了弄清这两者之间的关系，⾸先有必要深⼊了解⾼聚物的基本⼒学性能，然后，再弄清⼯业测试中选择这种或那种⽅法的原因。
§1 聚合物⼒学⾏为的特点及其表征⼀．聚合物⼒学性能特点1. ⼒学性能可变范围宽。
橡胶—塑料—纤维，为不同的应⽤提供了⼴阔的选择余地。
2. 强度低、模量低。
但由于其重量轻，故⽐强度⾼（强度/密度）。
3.⼒学性能与各种结构因素有关。
除化学结构外，包括：分⼦量及其分布、⽀化和交联、结晶度和结晶形态、共聚⽅式、分⼦取向、增塑及填料等。
从⽽也受加⼯条件及使⽤环境的影响。
4.⾼弹性和粘弹性。
⾼聚物极⼤的分⼦量以及分⼦链构象变化所导致的柔性，使⾼聚物具有独特的⾼弹性。
5. 对于⾼聚物来说，存在多种运动单元，尤其分⼦链由⼀种构象过渡到另⼀种构象所需时间很长。
因为链段⽐⼩分⼦⼤得多，内摩擦⼒也⼤，具有明显的松弛特性。
所以，其⼒学性能强烈地依赖于温度和受⼒时间。
⼆、三种基本形变类型及其相互关系⼒学⾏为是指施加⼀个外⼒在材料上，它产⽣怎样的形变（或称响应）。
a)简单切变切应变r=tanθ, 切应⼒σ=F/A,切变模量G=σ/r, 切变柔量J＝1/G，当r→0, G→∞材料越硬。
切变时，物体只改变形状，⽽不改变体积。
聚合物各种运动单元对切变敏感，故它是⼀种重要的研究⼒学⾏为的形变类型。
b) 均匀压缩)//(0V V P B ?=本体在流体静压⼒下，⽆论固体、流体或粘弹性，它们的⼒学⾏为都⽆甚差异，故在聚合物⼒学⾏为研究中⼀般不采⽤。
c) 简单拉伸拉伸应⼒0A F =σ（习⽤应⼒），AF =真σ习⽤应变（伸长率）000l ll l l ?=-=ε， 0ln 0l ll dl ll ii ==?真ε对于较⼤的形变：ll ?=真ε或3/]1[2λλ-，ελ+=1 +-+-=-3224321εεελl l=λ（拉伸⽐）杨⽒模量εσ=E （虎克定律），柔量ED 1=。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第八章 聚合物的力学性能
（3）内力、应力 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。当外力与内力达到平 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。
2
第八章 聚合物的力学性能
（4）形变 化。 材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变
（5）应变 在应力作用下，单位长度（面积、体积）所发生 的形变来表征。 (6) 弹性模量 是引起单位应变所需要的应力。是材料刚硬度的 一种表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易形变程度的一种 表征，以J表示。 （7）强度 在一定条件下，材料断裂前所能忍受的最大应力， 称为强度，常用单位Pa。
强迫高弹形变产生的原因
8
聚合物的力学性能
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
9
3
聚合物的力学性能
8.2 聚合物的应力应变特性
材料的大形变—破坏过程 实验条件：一定拉伸速率和温度 在实验和应用中：
宽 度
厚度d
b
P
图1 Instron 5569电子万能材料试验机 （electronic material testing system）
必须标明温度和施力 速率（或形变速率）， 切勿将正常形变速率下 测得数据用于持久力作 用或冲击力作用下的场 合下；切勿将正常温度 下得到的数据用于低温 或高温下。
15
第八章 聚合物的力学性能
（ 3）
（ 4）
（3）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）材料软而韧：模量低，屈服强度低，断裂伸长率大，断 裂强度较高，可用于要求形变较大的材料。
16
第八章 聚合物的力学性能
（ 5）
（5）材料强而韧：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。
第八章 聚合物的力学性能
（2）外力 指牛顿力 即对材料所施加的使材料发生形变的力。通常称为负荷。 外力包括以下两类：
a、 按施力方向分：拉伸力、压缩力、剪切力、弯曲力、 摩擦力、扭转力等。
b、 按施力方式分：以恒定外力长期持续的作用，以一定 速度缓慢短期作用的，突然的力冲击作用的，继续反复作用的。
1
A E A
O
y 图2 非晶态聚合物在玻璃态的应力 -应变曲线
5
A
B
聚合物的力学性能
6
聚合物的力学性能
从分子运动解释非结晶聚合物应力－应变曲线
（Molecular motion during tensile test 拉伸过程中高分子链的运动）
I Elastic deformation
图3 非晶态聚合物的应力-应变曲线 （玻璃态）
7
Hale Waihona Puke 聚合物的力学性能 E－ ＝ exp E－链段运动活化能 0 松弛时间与应力的关系： kT －材料常数 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。
聚合物的力学性能
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。
10
聚合物的力学性能
Conclusion： 非结晶聚合物形变经历了普弹形变、应变软化（屈服）、塑 性形变(plastic deformation )（强迫高弹形变）、应变硬化四 个阶段
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
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
4
聚合物的力学性能
非晶态聚合物
Point of elastic limit 弹性极限点 Yielding point 屈服点 Strain softening 应变软化
Y N A D B
Breaking point 断裂点
B Y A
plastic deformation 塑性形变
Strain hardening 应变硬化
11
第八章 聚合物的力学性能
σ B
Y
σ
0
σ
y
B
εB
ε
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。
12
第八章 聚合物的力学性能
脆性断裂：与材料的弹性响应相联系，在断裂前试样断裂均匀， 断裂时，裂纹迅速垂直于应力方向，断裂面不显出明显的推迟 形变，σ－ε曲线是线性的，ε<5%,断裂能小，由张应力引起 的－是键长变化的结果。 韧性断裂：屈服点以后的断裂，产生大形变，断面显示外延形 变（缩颈的结果），σ－ε曲线是非线性的，ε>5%，由剪切应 力引起的－链段运动的结果
13
第八章 聚合物的力学性能
根据材料的力学性能及其应力-应变曲线特征，可将非晶态聚 合物的应力-应变曲线大致分为五类：
附：强与弱从断裂强度b比较；硬与软从模量E（/）比较； 脆与韧则可从断裂伸长率比较。
14
第八章 聚合物的力学性能
（ 1） （ 2）
（1）材料软而弱：模量低，屈服强度低，中等断裂伸长率。 如未硫化的天然橡胶。 （2）材料硬而脆：在较大应力作用下，材料仅发生较小的应 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。