高分子材料成型加工-第2讲

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应 力
Y A N D
B
O
应变
典型晶态聚合物的 应力－应变曲线
一、高分子材料的力学性能
5、聚合物的摩擦与磨耗
摩擦与磨耗在高分子材料的性能指标中没有明显的定量理论， 但也属于聚合物重要的力学性能指标。 对于两种硬度差别较大的材料，如聚合物和金属，进行相对滑 动时，较硬的材料的凸凹不平处嵌入软质材料表面，形成凹槽。 当嵌入的尖端移动时，凹处或者复原，或者软质材料被刮落下 来。粘合或嵌入的形变均可因剪切而使材料从软质的表面磨去， 这称为磨耗。 摩擦可用摩擦系数表示；磨耗可用 临界PV 值表示，P 摩擦压 力，V 摩擦速度，PV值越高，材料越耐磨。
▲高聚物的介电性
高聚物的介电性是指高聚物在电场的作用下，表现出 对静电能的储蓄的损耗的性质。
影响高聚物介电性的因素：高聚物的极性和高聚物的极化
介电性的表示方法：介电常数、介电损耗
介电常数（储存电能）；介电损耗（消耗电能）tg
▲高聚物的极性类别
非极性高聚物（PE、PP、PTFE等） 弱极性高聚物（PS、PIP等） 极性高聚物（PVC、PA、PVAC、PMMA等） 强极性高聚物（PVA、PAN、PET、酚醛树脂等）
△定义
C Q0 Q ' C0 Q0
显然，高聚物极化程度越大，极板感应产生的电荷Q’越大， 介电常数越大 常见高聚物的介电常数
高聚物
聚乙烯（外推到无定型） 聚丙烯（无定型） 聚氯化苯乙烯 聚四氟乙烯（无定型） 聚氯乙烯 聚醋酸乙烯酯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚α-氯代丙烯酸甲酯
计算值
2.20 2.15 2.55 2.82 2.0 3.20 2.94 3.45
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
－ － － － － －
－ － － － － － － －
共混、复合材 料
－
－
－ － － －－ －－ －
高聚物在 电场中极 化示意图
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二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的介电常数（dielectric constant）
二、高分子材料的物理性能
部分高聚物的介电损耗
高 聚 物 介电损耗（tanδ）
60Hz
高密度聚乙烯 低密度聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚四氟乙烯 聚碳酸酯 聚已内酰胺 聚已二酰已二胺 聚甲基丙烯酸甲酯 聚氯乙烯 聚偏乙烯 ABS 聚甲醛 0.0002 0.0005 0.0005 0.0001～0.0003 ＜0.0002 0.0009 0.014 ～0.04 0.010 ～0.06 0.04 ～0.06 0.08 ～0.15 0.007 ～0.02 0.004 ～0.034 0.004
应力与应变是相辅相成的，有应力就有应变；有应变，就 有应力，应力与应变间的关系，完全由材料决定，反映了材料 所固有的力学性质。不同的材料会反映出不同的应力应变关系。 材料的力学性能和应力应变关系要通过实验得到。
万能材料实验拉力机
几种常见材料的应力应变曲线 5
一、高分子材料的力学性能
1、力学性能的基本指标（2）：强度 拉伸强度：屈服或断裂前材料试样所承受的最大力（载荷与 横截面积之比）称为拉伸强度。一般用MPa为单位。 弯曲强度：也称扰曲强度、抗弯强度，是在规定的条件下对 标准试样施加静弯曲力矩，直到试样折断为止，得到的最大 载荷与受力面积之比为弯曲强度。
二、高分子材料的物理性能
▲导电高聚物的应用
电子导电高聚物 导电材料（涂料） 电极材料 电显示材料 化学反应催化剂 有机分子开关 代替电解质材料 全固态电池
离子导电高聚物
各种电极材料 氧化还原导电高聚物 特种电极修饰材料
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二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的绝缘电阻
S RV 体积电阻率 V d
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一、高分子材料的力学性能
6、聚合物的疲劳强度
概念：疲劳强度是指材料在无限多次(1× 107)交变载荷作 用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。
聚合物在周期性交变应力作用下在低于静态强度的应力下破裂， 这种现象称为疲劳现象。同样的疲劳现象也可在应力作用下由裂 纹发展引起。在一定负荷的反复作用下，材料的疲劳寿命随聚合 物的分子量的增加而提高。 疲劳强度和静强度的比值，对大多数热塑性聚合物为1/4，增强材 料稍大一些，而一些工程材料，如聚甲醛和聚四氟乙烯可达到 0.4~0.5。一般来讲，这个比值随着分子量及温度的提高而增加。
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二、高分子材料的物理性能
1、高聚物的电性能
高聚物具有体积电阻率高（1016～1020Ω· cm）、介电常数小 （≤2）、介质损耗低（＜10－4）等特殊优良的电性能，同 时某些高聚物还具有优良的导电性能。另外，由于高聚物成 型加工容易，品型多，故在电器方法应用广泛。
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二、高分子材料的物理性能
二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的介电损耗（dielectric loss） 是电介质在交变电场的作用下，将一部分电能转变为热能 而损耗的现象。一般用损耗角的正切值表示。
W 每周期内介电损耗的能量 '' tan ' VI C 每周期内介电储存的能量
△介电损耗的原因
对非极性高聚物 在交变电场中，所含的杂质产生的漏导电流， 载流子流动时，克服内摩擦阻力而作功，使一部分电能转变为热 能，属于欧姆损耗。 对极性高聚物 在交变电场中极化时，由于黏滞阻力，偶极子的 转动取向滞后于交变电场的变化，致使偶极子发生强迫振动，在 每次交变过程中，吸收一部分电能成热能而释放出来，属于偶极 损耗。损耗的大小取决于偶极极化的松弛特性。 19
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二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的极化（polarization）

非极性高分子：感应极化(电子云位移），电导损耗小 极性高分子：取向极化（分子电场中取向），极化损耗大 非均向高分子：界面极化（界面极性不同，电场引起电荷 聚集）
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二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的极化（polarization）
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一 高 分 子 材 料 的 力 学 性 能
一、高分子材料的力学性能
1、力学性能的基本指标（1）：应力与应变 应力：物体由于外因而变形时，在物体内各部分之间产生相互 作用的内力，以抵抗变形。单位截面面积上的内力称为应力。
应变：物体受力产生变形时，用以描述变形程度的物理量为应 变。一般受力变形时物体内各点处变形程度并不相同。
作为橡胶材料必须具有一下特点：
（1）弹性模量小，形变大。橡胶的高弹形变很大，可以拉伸5-10 倍，弹性模量只有一般材料的万分之一左右；而一般材料的 形变量仅为1%左右。 （2）弹性模量与绝对温度成正比，一般材料的温度随温度的提高 而下降； （3）形变时有热效应，伸长时吸热，回缩时放热； （4）在一定条件下，高弹形变表现出明显的松弛现象。
103Hz
0.002 0.0005 0.0002 ～0.0008 0.0001 ～0.0003 ＜0.0002 0.0021 0.02 ～0.04 0.011 ～0.06 0.03 ～0.05 0.07 ～0.16 0.009 ～0.017 0.002 ～0.012
106Hz
0.0003 0.0005 0.0001 ～0.0005 0.0001 ～0.0004 ＜0.0002 0.010 0.03 ～0.04 0.03 ～ 0.04 0.02 ～0.03 0.04 ～0.140 0.006 ～0.019 0.007 ～0.026 20 0.004
极化形式 极化机理 特点
极快，10－12～10－15s；无能量 损耗；不依赖温度和频率
适用对象
所有高聚物
电子极化 电子云的变形 原子极化 各原子之间的相对位移
稍快， 10－12s；损耗微量能量； 所有高聚物 不依赖温度
偶极极化 极性分子（或偶极子）沿 慢， 10－9s以上；损耗较大能量；极性高聚物 电场方向转动，从优取向 依赖温度和频率 界面极化 载流子在界面处聚集产生 极慢，几分之一秒至几分钟、 的极化 几小时
实验值
2.3 2.2 2.55 2.6 2.1 2.25 2.6/3.7 3.4
高聚物
聚α-氯代丙烯酸乙酯 聚甲基丙烯酸乙酯 聚丙烯腈 聚甲醛 聚苯醚 聚对苯二甲酸乙二酯 聚碳酸酯 聚已二酰已二胺
计算值
3.20 2.80 3.26 2.95 2.65 3.40 3.00 4.14
实验值
3.1 2.7/3.4 3.1 3.1 2.6 2.9/3.2 2.6/3.0 4.0 18
高聚物绝缘电阻 的表示形式 表面电阻率
平等电极
2 R S 环状电极 S ln D2 D1
l S RS b
▲高聚物的静电现象（electrostatic effect）
主要产生于高聚物与成型加工设备之间的接触或摩擦等
●静电的利与弊
利：静电喷涂、静电印刷、静电照像、静电吸尘除尘等 弊：影响外观、相互黏结、电器准确性、静电火花、吸尘等
高分子材料成型与加工 第二讲
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第三节 高分子材料的主要性能
一 二
高分子材料的力学性能
高分子材料的物理性能 高分子材料的化学性能
三
四
高分子溶液
高分子材料 应用如此广泛 的一个很重要 的原因，是高 分子材料具有 其它材料所不 可比拟的性能。
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第三节 高分子材料的性能
1. 2. 3. 4. 5. 6. 应力与应变 拉伸强度 弯曲强度 强度 基本指标 冲击强度 弹性模量 硬度 高弹性能 对大多数 静态粘弹性 高分材料来说， 粘弹性 动态粘弹性 力学性能是最 重要的性能指 力学屈服 标。聚合物的 力学性能是由 摩擦与磨损 结构特性所决 疲劳强度 定的。
材料在外力作用下所表现出的变形和破坏方面的特性，称为材 料的力学性能。材料的力学性能通常都是通过实验来认识的，最基本 的实验是材料的轴向拉伸和压缩实验。 常温静载下的轴向拉伸试验是材料力学中最基本、应用最广泛的 试验。通过拉伸试验，可以较全面地测定材料的力学性能指标。