高分子材料的力学状态
高分子材料的力学状态
弹性体：拉伸——放热
回缩——吸热
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性的本质
熵弹性 高弹性由熵变引起
拉伸弹性体时外力所做的功 主要转为高分子链构象熵的减小 体系为热力学不稳定状态 去除外力体系回复到初始状态 热力学第一定 律 热力学第二定 律
2.2 高分子材料的力学性能
粘弹性
聚合物最重要的力学性能 之一
晶区起交联点作用。温度，非晶区进入高弹态， 整个材料具有韧性和强度。
结晶度>40%
晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的
非晶区玻璃化转变现象。
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩
尔平均质量。
不呈现高弹态
呈现高弹态
图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线
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
D A E D A
O
A y
B
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）
2.2 高分子材料的力学性能
2.2 高分子材料的力学性能
2+3
1 2 3
1
图2-6 线形非晶态聚合物 的蠕变及回复曲线
运动单元：分子链 形变特点：不可逆形变
2.2 高分子材料的力学性能
蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力。 提高材料抗蠕变性能的途径:
a. 聚合物玻璃化温度高于室温；
b. 聚合物分子链含有苯环等刚性链； c.交联:可以防止分子间的相对滑移。
高分子物理----高分子的力学性能
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（4）当温度升至Tg以上，试样进入高弹态，在应力不大 时，就可发生高弹形变，如曲线④，无屈服点，而呈现一段 较长的平台，直到试样断裂前，曲线又出现急剧的上升。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
2. 结晶态高聚物的拉伸
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
引言
高分子材料具有所有已知材料中可变性范围最宽 的力学性质，包括从液体、软橡胶态到刚性固体。然 而，与金属材料相比，高分子材料对温度和时间的依 赖型要强烈得多，表现为高分子材料的粘弹性。高分 子材料的这种力学行为显得复杂而有趣，为不同的应 用提供了广阔的选择余地。
内容提要
1. 玻璃态和结晶态聚合物的力学性质 2. 高弹态聚合物的力学性质 3. 聚合物的力学松弛－粘弹性
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
比较玻璃态高聚物的拉伸与结晶态高聚物的拉伸相同点与区别
（1） 相同点：两种拉伸过程都经历弹性变形，屈 服（“成颈”），发展大形变，应变硬化。断裂前的大 形变在室温时都不能自发恢复，加热后才能恢复原状态。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（2） 不相同点： ① 冷拉温度范围不同 a. 玻璃态高聚物拉伸温度区间是：Tb－Tg b. 结晶态高聚物拉伸温度区间是：Tg－Tm
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
4. 硬度 硬度是衡量材、洛氏、和邵氏等名称，通 常布氏硬度最为常见。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
三、 屈服现象 1. 应力与应变曲线
图7－9 玻璃态和结晶态高聚物的应力-应变曲线
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
料抵抗外力破坏的能力。机械强度的测试是参照国际 标准和本国标准进行。
高分子材料的形貌和力学性能的关系研究
高分子材料的形貌和力学性能的关系研究高分子材料是一类非常有用的工业材料，它们的应用范围十分广泛，包括但不限于塑料、橡胶、纤维等。
在高分子材料的设计和开发中，形貌和力学性能是两个十分重要的方面。
形貌决定了材料的组成和结构，而力学性能则决定了材料的使用情况和耐久度。
在本文中，我们将探讨高分子材料的形貌和力学性能之间的关系，并分析这种关系对材料工程的影响。
一、高分子材料的形貌高分子材料的形貌指的是其表面形态和内部形态。
表面形态包括材料的粗细、光滑度、颜色等；内部形态则包括材料的晶体结构、分子链结构、孔隙率等。
高分子材料的不同形貌决定了它们的物理性质，这些性质对于高分子材料的特定应用是必须了解的。
例如，聚合物熔体的表面形态和内部形态决定了它们的流动性和凝固性。
又如，高分子材料的玻璃化转变温度（即所谓TG）可以通过形貌的变化来决定，这对于材料的使用和处理有着关键的作用。
此外，高分子材料的形貌还可以影响它们的性能。
例如，一些聚合物材料在不同的形貌下会表现出不同的强度和韧性。
二、高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能通常被分为强度、韧性、硬度和弹性模量等。
这些性能对于高分子材料的特定应用至关重要。
强度和韧性的变化决定了材料的耐久性和安全性；硬度和弹性模量则决定了材料的刚度和弹性回复情况。
很多高分子材料的力学性能是由聚合物分子链的长度和相互作用力决定的。
分子链的长度和相互作用力可以通过其结构和化学组成来控制和调整。
例如，随着分子链的增长和交联的形成，强度和硬度会增加，但韧性会降低。
此外，热处理或机械压缩等工艺也可以影响高分子材料的力学性能。
三、高分子材料的形貌与力学性能之间的关系高分子材料的形貌和力学性能之间存在密切的关系。
对于许多高分子材料来说，形貌可以影响它们的力学性能。
这是由于形貌与材料的结构、分子链长度、相互作用力等紧密相关。
例如，粗糙的表面会影响高分子材料的摩擦力，细微的裂缝和孔隙会影响其强度和韧性。
高分子材料的力学性能
高分子材料的力学性能
01 高聚物的抗拉强度
02 长期强度
高分子材料的力学性能
抗拉强度：
在规定的温度、湿度和加载速度下，在试样上沿轴 向施加拉力直到试样被拉断为止，断裂前试样所承受的 最大载荷与试样截面之比称为抗拉强度。
宽度b
厚度d
P
t
p bd
p A0
抗拉强度越大，说明材料越不易断裂、越结实
高分子材料的力学性能
高分子材料的力学性能
玻璃纤维是将玻璃材料通过拉丝形成的纤维状的玻璃， 没有固定的熔点。是一种综合性能优异的无机非金属材料， 通常作为复合材料增强基材、电绝缘材料、耐热绝热材料、 光导材料、耐蚀材料和过滤材料等，广泛应用于国民经济各 个领域。
玻璃纤维
高分子材料的力学性能
玻璃纤维对高聚物的增强：
短玻璃纤维可以提高热塑性塑料的强度，还可以用玻璃纤维与其 他织物复合而制成玻璃钢。
玻璃钢的性能优越，其强度高于钢，是以玻璃纤维制成玻璃布，
以不同的角度排列，以环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂的顺序形成涂 层，经加热、层压、固化而成。
材料
拉伸强度/MPa
未增强
23
聚乙烯
右表为一些热塑性
增强
76
塑料用玻璃纤维增
未增强
58
聚苯乙烯
强后其拉伸强度的
增强
96
变化
未增强
62
聚碳酸酯
增强
140
未增强
在高分子材料中长期强度指一定时间后，高分子材料 不发生断裂时的强度值。
长期
t
谢谢！
高分子材料的力学性能
2、应力和缺陷：
缺陷的存在将使材料受力时内部压力分布不平均， 缺陷附近范围内的应力急剧地增加，远远超过压力平均 值，这种现象称为应力集中，缺陷就是应力集中物，包 括裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质等，缺陷成为材料的 薄弱环节，材料的破坏就从这些缺陷处开始而扩展到 整个体系，严重降低材料的强度。
高分子材料的力学行为和应力应变关系
高分子材料的力学行为和应力应变关系高分子材料是一类常见的材料，它们由聚合物组成，具有许多独特的力学行为和应力应变关系。
理解和掌握高分子材料的力学行为对于工程设计和材料应用具有重要意义。
高分子材料的力学行为受多种因素的影响，其中最重要的因素之一是分子结构。
分子结构包括聚合物的链结构、支链结构、交联结构等。
不同的分子结构会导致高分子材料具有不同的力学行为。
例如，线性聚合物通常具有良好的延展性和可塑性，而交联聚合物则具有较高的刚度和强度。
高分子材料在受力时会发生应变，这种应变可以分为弹性应变和塑性应变。
弹性应变是在施加外力后，高分子材料会发生弹性变形，当外力撤离后，材料可以恢复到初始状态。
塑性应变是材料受到外力作用而发生的不可逆变形。
高分子材料的弹性和塑性应变与多种因素密切相关，例如材料的分子链长度、分子间的相互作用力等。
材料的力学行为还可以通过应力应变曲线来描述。
应力应变曲线是指在应力作用下，材料发生应变的过程。
通常，应力应变曲线包括线性阶段、屈服阶段、流变阶段和断裂阶段。
线性阶段是指在小应变范围内，材料的应力和应变成正比关系，称为胡克定律。
屈服阶段是指当应力达到一定程度时材料发生应变的过程。
高分子材料的屈服点通常低于其抗拉强度，这是由于分子链的自由度和相互作用力的影响。
流变阶段是指在应力超过屈服点后，材料呈现非线性的应力应变关系。
断裂阶段是指当应力进一步增大，材料无法继续承受应力而发生断裂的过程。
除了力学行为和应力应变关系，高分子材料的力学性能还受到温度、湿度等外界环境的影响。
在高温下，高分子材料的分子链会发生热运动，导致材料的强度和刚度降低。
湿度则会影响分子链之间的相互作用力，进而影响材料的力学性能。
因此，在工程设计和材料应用中，需要仔细考虑外界环境对高分子材料的影响。
总之，高分子材料的力学行为和应力应变关系是一个复杂且重要的领域。
通过研究材料的分子结构、应力应变曲线以及外界环境的影响，可以更好地理解和掌握高分子材料的力学性能，从而为材料应用和工程设计提供科学依据。
高分子材料的结构与力学性能研究
高分子材料的结构与力学性能研究高分子材料是一类重要的工程材料，具有广泛的应用领域。
它们的性能很大程度上取决于其结构与力学性能之间的关系。
因此，对高分子材料的结构与力学性能进行深入研究是十分必要的。
一、高分子材料的结构高分子材料的结构是指其中分子的组成和排列方式。
其主要由聚合物链的排列方式、分子量分布以及分子内外力结构等因素决定。
首先，聚合物链的排列方式对高分子材料的性能有显著影响。
一种常见的排列方式是线性结构，即聚合物链呈直线排列。
这种结构能够使高分子材料更加柔软、可拉伸，并具有较高的延展性。
相反，如果聚合物链呈无规则状或高度交织状排列，则高分子材料的强度和硬度会明显提升。
其次，分子量分布也是高分子结构的重要方面。
分子量分布越广，高分子材料的性能越稳定。
这是因为分子量越大，高分子材料的强度和硬度越高。
然而，如果分子量分布过窄，容易导致性能不均匀，从而影响材料的应用。
最后，分子内外力结构对高分子材料的结构和性能同样起着关键作用。
分子内的键长、键角和二面角等结构参数决定了高分子材料的刚性和柔软性。
而分子之间的力结构包括范德华力、静电力和氢键等，可以影响材料的粘合性和熔融性。
二、高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能包括强度、硬度、韧性以及流变性等方面。
这些性能与材料的结构密切相关。
首先，强度是衡量材料抵抗外力破坏能力的重要指标。
高分子材料的强度主要取决于其内部的结构以及分子内外的各种力作用。
一般来说，高分子材料强度较低，但具有较好的拉伸性能和延展性。
其次，硬度是衡量材料抵抗表面刮擦、磨损和压缩的能力。
高分子材料的硬度主要由分子链的排列方式和分子量分布来决定。
线性排列和较窄的分子量分布会导致高分子材料较好的硬度。
韧性是衡量材料断裂前出现塑性变形的能力。
高分子材料的韧性与其延展性有关，而延展性又与聚合物链的排列方式和分子结构有关。
流变性是指高分子材料在外力作用下的变形行为。
它与材料的粘弹性和塑性变形有关。
高分子物理----高分子的力学性能
一般刻痕试样的冲击强度小于这一数值为脆性断裂，大
于这一数值时为韧性断裂。但这一指标并不是绝对的，
例如玻璃纤维增强的聚酯塑料，甚至在脆性破坏时也有
很高的冲击强度。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
2. 高聚物的理论强度 从分子结构的角度来看，高聚物的断裂要破坏分子 内的化学键，分子间的范德华力与氢键。
7.2 高弹态聚合物的力学性质
加入增塑剂虽然可以降低Tg，但有利条件，因此选
用增塑法来降低Tg必须考虑结晶速度增大和结晶形成的 可能性。
7.2 高弹态聚合物的力学性质
（2）共聚法
共聚法也能降低聚合物的Tg，如：PS的主链上带有体 积庞大的苯基，聚丙烯腈有强极性腈基存在，Tg都在室温 以上，只能作为塑料和纤维使用，如果用丁二烯分别与苯 乙烯和丙烯腈共聚可得丁苯橡胶和丁腈橡胶，使Tg下降。 例如：丁苯30，Tg=-53℃，丁腈26，Tg=-42℃。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（3）当温度升高到Tg以下几十度范围内，如曲线③，过
了屈服点后，应力先降后升，应变增大很多，直到C点断裂，
C点的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率ε 。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（4）当温度升至Tg以上，试样进入高弹态，在应力不大
时，就可发生高弹形变，如曲线④，无屈服点，而呈现一段
应力称为屈服应力或屈服强度。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
屈服点之后，应力有所下降，在较小的负荷下即可产生形 变，称为应变软化。之后应力几乎不变的情况下应变有很大 程度的增加，最后应力又随应变迅速增加，直到材料断裂。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
四、几类高聚物的拉伸行为 1. 玻璃态高聚物的拉伸
高分子材料与陶瓷材料介绍
高分子材料与陶瓷材料高分子材料高分子材料来源丰富，生产成本低廉。
在生产以及日常生活中已经成为不可缺少的一类材料。
按照用途可以将高分子材料分为塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等。
高分子材料又称为高聚物。
一、高分子材料的基本概念1.高分子化合物是分子量特别大的一类化合物。
一个高分子化合物种可能包含成千上万个原子。
高分子化合物的分子量可以高达几万、几十万甚至上百万。
原子之间以共价键连接起来。
自然界中存在的纤维素、淀粉、蛋白质和天然橡胶都是由高分子化合物组成的。
人工合成的各种塑料、橡胶和纤维也是由高分子化合物组成的。
2.高分子化合物的分子量虽然很大，但其化学成分组成一般都比较简单。
组成高分子的元素主要是碳、氢、氧、氮和硅等少数几种元素。
整个高分子只不过是许多简单的结构单元重复连接起来的长链。
合成高分子所用的小分子原料称为单体，在高分子中称重复结构单元，又叫链节。
高分子中包含的重复结构单元的数目称为聚合度。
聚合度越大，高分子的分子量越大。
高分子材料由大量的大分子链聚集而成。
合成时大分子链长短不一，其数量呈统计规律分布。
高分子材料的分子量是大量分子链分子量的平均值。
以各级分子量取平均值得到的平均分子量叫做重均分子量。
二、高分子材料的人工合成高分子材料可使用小分子单体通过加聚反应或缩聚反应制备得到。
1.加聚反应含有双键的低分子化合物（单体）在光、热或引发剂的引发下使双键打开，由共价键互相连接而形成大分子链的反应。
由一种单体加聚而成的聚合物叫均聚物，如乙烯聚合得到聚乙烯。
如果聚合物链由两种或两种以上的单体聚合而成，则称为共聚物，如ABS树脂是由丙烯腈（Acrylonitrile）、1,3-丁二烯（Butadiene）、苯乙烯（Styrene）三种单体聚合得到的。
加聚反应得到的高分子其分子量等于单体分子量的加和。
2.缩聚反应由两种或两种以上具有官能团（决定分子化学性质的特殊原子团）的低分子化合物（单体），通过官能团的相互缩合作用，逐步合成为一种大分子链，同时析出一个小分子副产物（如水、氨或醇）等的反应。
高分子材料的力学性能测试及其应用研究
高分子材料的力学性能测试及其应用研究高分子材料是一类重要的工程材料，主要用于纺织、建筑、电子、医药等领域。
高分子材料具有轻量、高强、高韧性、耐磨损、耐腐蚀等特点，因此广泛应用于各种领域。
在使用高分子材料的过程中，需要了解其力学性能，以便更好地设计、制造和使用。
本文将介绍高分子材料的力学性能测试方法和应用研究。
一、高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能包括弹性性能、塑性性能和破坏性能。
其中弹性性能是指材料在受力后恢复原状的能力，主要包括弹性模量和泊松比。
塑性性能是指材料在受力后能够发生变形的能力，主要包括屈服强度和延伸率。
破坏性能是指材料在受到足够大的载荷后会发生破坏的能力，主要包括断裂韧性和破坏模式。
二、高分子材料的力学性能测试方法1、拉伸试验拉伸试验是最常用的高分子材料力学性能测试方法之一。
通过将试样拉伸至断裂点，测量其载荷与变形量的关系，可以得到材料的应力-应变曲线。
从应力-应变曲线中，可以计算出材料的弹性模量、屈服强度、断裂强度和断裂伸长率等重要参数。
拉伸试验可以使用单轴拉伸机、万能试验机等设备进行。
2、压缩试验压缩试验是评估材料抗压能力的一种方法。
该试验通常以轴向载荷进行，压缩试验结果可以用于确定材料的体积模量或多轴应力状态下的应变量。
根据材料应变分布的不同，可以得到不同的应力-应变曲线，从而得到压缩弹性模量和屈服应力等参数。
3、剪切试验剪切试验可以评估材料的剪切性能，通常使用剪切试验机进行。
在剪切试验中，试样被植入两个夹具中，夹具沿着对称面施加力，使试样发生沿切平面的剪切变形。
通过测量必要的载荷和位移，可以获得材料剪切应力和剪切应变，并从中得出剪切模量和剪切强度等重要参数。
4、冲击试验冲击试验是评估材料耐冲击能力的一种方法。
通常在低温下进行，使用冲击试验机施加冲击载荷，在断裂前测量材料的冲击强度和断裂韧性等参数。
这种试验可以评估大多数高分子材料的耐冲击性和脆性，在材料开发和制造中具有重要的应用价值。
高分子材料的力学性能模拟及分析
高分子材料的力学性能模拟及分析高分子材料是一种重要的材料类型，具有许多引人注目的优良性能。
它们具有很高的可塑性和韧性，可以成型为各种复杂形状，且可以在不同温度和湿度下使用。
在这篇文章中，我们将讨论高分子材料的力学性能模拟及其分析方法。
高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能是指材料在受力时的反应，包括材料的弹性、塑性、断裂等性质。
这些性能对于材料的使用非常关键，因为它们决定了材料的强度、韧性和耐久性等方面。
在高分子材料中，弹性模量是衡量材料弹性性能的一项关键指标。
弹性模量可以定义为材料在受力时的弹性变形与应力的比值。
高分子材料的弹性模量通常比金属和陶瓷等传统材料低，这是由于高分子材料的链状分子结构和较弱的相互作用力导致的。
除了弹性模量，高分子材料还表现出不同的塑性行为。
塑性行为主要由两个因素决定：分子在受力下的形变和传递形变的机制。
高分子材料通常表现出可塑性行为，这意味着他们可以在受到压力时变形而不会破裂。
分析高分子材料的力学性能分子动力学模拟是一种非常有效的方法，可以用来分析高分子材料的力学性能。
分子动力学模拟是一种计算机模拟技术，可以模拟分子之间相互作用的力学行为。
在分子动力学模拟中，分子被建模为一系列离散的质点，并通过牛顿运动定律来计算分子的位置和速度随时间的变化。
分子动力学模拟可以提供高分子材料的微观结构和力学性能的详细信息。
通过模拟，我们可以了解材料在受力时的分子间相互作用和变形，并且可以预测材料的力学性能，如弹性模量、塑性性质和断裂行为等。
另一种用于分析高分子材料的力学性能的技术是有限元方法。
有限元方法是一种数值分析技术，广泛应用于工程、物理学和其他学科。
有限元方法的基本思想是将大型问题分解为许多小型问题，然后使用计算机程序解决。
在有限元方法中，高分子材料被分解成数百万个小元素，然后通过数值方法来求解每个元素的力学行为。
这些小元素的行为可以被组合成整个材料的力学性能。
总结高分子材料是一种非常重要的材料类型，因为它们具有许多优良的性能。
高分子材料高聚物的分子运动与力学状态
高分子材料高聚物的分子运动与力学状态引言高分子材料是一种由连续的重复单元构成的聚合物材料。
在材料科学领域，研究高分子材料的分子运动和力学状态对理解材料性质和行为至关重要。
了解高聚物的分子运动和力学状态有助于优化材料设计、改进材料性能，并应用于各种领域，如生物医学、电子器件、纳米技术等。
高聚物的分子运动高聚物的分子运动主要包括乌尔布雷希特运动和扭曲运动。
乌尔布雷希特运动是高聚物链的摆动和旋转运动，其中链段在某一时刻的位置可以被视为围绕平均位置进行振动。
扭曲运动是高分子链的连续扭转运动，由旋转键和左旋键之间的相互作用引起。
高分子材料的分子运动主要受到温度和外部应力的影响。
温度的升高会增加高聚物链的摆动和旋转运动的速率，从而增加整体材料的流动性。
外部应力会导致高聚物链的拉伸和扭转，改变材料的形状和力学性能。
高聚物的力学状态高聚物材料的力学状态可以分为固态、流动态和弹性态。
在固态中，高聚物链之间的空隙较小，链的摆动和旋转受限制，材料呈现刚性和坚固的性质。
在流动态中，高聚物链的摆动和旋转增加，材料呈现流动性，可以被塑性加工和注射成型。
在弹性态中，高分子链在受到外部应力后，发生可逆形变，材料在去除应力后可以恢复原状。
高聚物材料的力学状态可以通过物理测试和分析方法来确定，例如拉伸试验、硬度测量和动态力学分析。
拉伸试验可以测量材料的强度、延展性和断裂性能，硬度测量可以评估材料的硬度和刚度，动态力学分析可以研究材料的粘弹性和弹性恢复能力。
高聚物材料的应用高聚物材料由于其丰富的性质和可调控性，在各种领域中有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1.生物医学领域：高聚物材料可以用于制造人工器官、药物传输系统和医疗设备，具有良好的生物相容性和可降解性。
2.电子器件领域：高聚物材料可以用作电子器件的绝缘层、封装材料和柔性电子材料，具有优异的电气性能和机械可塑性。
3.纳米技术领域：高聚物材料可以用于纳米级分子组装和纳米颗粒制备，用于制备纳米传感器、纳米药物传递系统等。
高分子材料的力学特性分析
高分子材料的力学特性分析高分子材料是一种很特殊的材料，它具有很高的分子量和相对分子质量，分子之间连接着共价键或者氢键，因此它具有很特殊的力学特性。
高分子材料在很多领域得到广泛应用，比如医学、食品、化学工程、电子、建筑、纺织等。
本文将对高分子材料的力学特性进行分析，帮助读者更好地了解这种材料，并且更好地应用它。
1. 高分子材料的物理结构高分子材料是由分子体系组成的宏观体系。
在这个宏观体系中，高分子材料的物理结构非常重要。
高分子材料的物理结构由分子之间的键和链构成。
分子间的键可以分为两种：共价键和氢键。
共价键是通过原子之间的原子轨道重叠形成的键，它们通常是非极性的，但是有些共价键还包含极性成分。
氢键是通过氢原子与另外一个原子之间形成的键，它们通常是极性的。
高分子材料的物理结构还包括它的分子链结构。
分子链的结构决定了高分子材料的形态和性能。
分子链结构主要分为线性、支化、交联等几种类型。
线性结构的高分子材料是由一个单独的长链构成。
支化结构是由以一主链为中心，同时连接着若干支链的高分子材料。
交联结构是由大量的分子链相交织形成的高分子材料。
2. 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能主要包括弹性、塑性、黏弹性和粘性等方面。
弹性是指高分子材料在外部受力下产生的形变，一旦外力消失，高分子材料可以恢复原有形状和大小的能力。
塑性是指高分子材料在外部受力后发生的形变，外力撤离后无法恢复原有形状和大小的性质。
黏弹性是指高分子材料在外部受力下，受力速度不同时形变的特性不同。
在低速下，高分子材料是弹性体；在高速下，高分子材料表现出粘性特性。
粘性是指高分子材料在外部受到剪切力时会发生形变，形变速度逐渐增加，形状和大小逐渐稳定的性质。
3. 高分子材料的测试方法高分子材料的力学特性是通过测试来获取的。
有许多不同的测试方法可以用来测试高分子材料的力学特性。
其中最常用的测试方法有拉伸测试、弯曲测试和压缩测试。
拉伸测试用来测试高分子材料的弹性和塑性特性，可以通过测定高分子材料在拉伸状态下产生的应力和应变来测定高分子材料的弹性模量。
高分子材料的动态力学性能分析
高分子材料的动态力学性能分析在现代材料科学的领域中，高分子材料以其独特的性能和广泛的应用成为了研究的重点之一。
而高分子材料的动态力学性能更是其中一个关键的方面，对于深入理解和优化其在各种实际场景中的应用具有重要意义。
首先，我们来了解一下什么是高分子材料的动态力学性能。
简单来说，就是指高分子材料在动态载荷（如振动、冲击等）作用下表现出的力学行为和特性。
这种性能反映了材料在不同频率和温度条件下对能量的吸收、储存和释放能力。
高分子材料的动态力学性能通常通过动态力学分析（DMA）技术来进行研究。
在这个过程中，会施加一个周期性的应变或应力，然后测量材料的响应，从而得到诸如储能模量、损耗模量和损耗因子等重要参数。
储能模量代表了材料储存弹性变形能量的能力，它反映了材料的刚度。
损耗模量则反映了材料在变形过程中能量的损耗，与材料的粘性相关。
而损耗因子则是损耗模量与储能模量的比值，能够很好地反映材料的阻尼特性。
温度对高分子材料的动态力学性能有着显著的影响。
随着温度的升高，高分子材料会经历从玻璃态到高弹态再到粘流态的转变。
在玻璃态下，分子链的运动被冻结，材料表现出较高的模量和较低的阻尼。
当温度升高到玻璃化转变温度（Tg）时，分子链开始获得一定的运动能力，模量急剧下降，阻尼迅速增大。
继续升温进入高弹态，材料的弹性和粘性并存。
而当温度进一步升高到粘流温度以上时，材料变为可流动的粘性液体。
频率也是影响高分子材料动态力学性能的一个重要因素。
在低频下，分子链有足够的时间响应外力，材料表现出更多的粘性特征；而在高频下，分子链来不及响应，材料表现出更多的弹性特征。
高分子材料的结构和组成对其动态力学性能有着决定性的影响。
分子链的长度、分子量分布、支化程度以及交联结构等都会改变材料的动态力学性能。
例如，分子量较大且分布较窄的高分子材料通常具有更高的模量和更好的力学性能。
交联结构可以增加材料的刚度和耐热性，但可能会降低其韧性。
不同类型的高分子材料具有不同的动态力学性能特点。
工程材料_9 高分子材料
⑵ 塑料的分类 按树脂受热时行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。 按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。 通用塑料产量大、价格低、用途广。
工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。
特种塑料是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐蚀的塑
料，这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合。
第九章 高分子材料
第一节 概述
一、高分子材料的基本概念
高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。常称聚
合物或高聚物。
高分子化合物的分子量一般>104 。 高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业用高分子
材料主要是人工合成的。
二、高分子材料的分类
⑴ 按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘 剂、涂料等。
⑵ 按聚合物反应类型分为加聚物和缩 聚物。
⑶ 按聚合物的热行为分为热塑性聚合 物和热固性聚合物
⑷ 按主链上的化学组成分为碳链聚合
物、杂链聚合物和元素有机聚合物
三、高分子材料的力学状态
1、线型非晶态高聚物的力学状态 ⑴ 玻璃态：低温下，链段不能运动。在外力作用下，只
发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。
添加剂是为改善塑料某些性能而加入的物质。
填料主要起增强作用；
增塑剂用于提高树脂的可塑性和柔软性；
固化剂用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构； 稳定剂用于防止塑料老化，延长其使用寿命； 润滑剂用于防止塑料加工时粘在模具上, 使制品光亮； 着色剂用于塑料制品着色。
其他的还有发泡剂、催化剂、阻燃剂、抗静电剂等。
工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶来源有天然和合
高分子材料的力学性质与形变行为研究
高分子材料的力学性质与形变行为研究引言：高分子材料是一类由重复单元组成的大分子化合物。
其在工业、生活和科学研究等领域中得到了广泛应用。
高分子材料的力学性质与形变行为研究，旨在探索材料在外力作用下的变形行为，为高分子材料的设计与应用提供科学依据。
一、材料的力学性质分析1. 弹性模量弹性模量是衡量材料抵抗形变程度的指标。
对高分子材料而言，其弹性模量通常较低，这是因为分子间相对较大的间隙和柔软的分子链结构所致。
然而，通过在高分子材料中添加填充剂或改变分子结构等方式，可以显著提高其弹性模量。
2. 屈服强度屈服强度是材料在外力作用下开始发生塑性变形的应力值。
对高分子材料而言，其屈服强度通常较低。
此外，高分子材料在高温或潮湿环境下易出现劣化现象，从而降低屈服强度。
因此，在高分子材料的设计与应用过程中，需要考虑其在特定环境下的耐久性。
3. 断裂强度断裂强度是材料在受到极限载荷时发生破裂的应力值。
由于高分子材料的分子链结构相对柔软，其断裂强度较低。
为了提高高分子材料的断裂强度，可以使用增强剂或改进分子链结构等方法。
二、高分子材料的形变行为研究1. 变形模式高分子材料在外力作用下表现出多种形变模式，如弯曲、拉伸、挤压和剪切等。
这些变形模式的不同对材料的力学性能和应用起着重要影响。
因此，研究高分子材料的不同变形模式以及其相应的力学行为对于材料设计和工程应用具有重要意义。
2. 变形机理高分子材料的变形机理主要包括两个方面：分子链的变形和分子链之间的相互作用。
分子链的变形是指在外力作用下，分子链的形态和结构发生改变。
而分子链之间的相互作用包括物理相互作用和化学键的形成和断裂等。
研究这些变形机理有助于理解高分子材料的力学性质和形变行为。
3. 形变速率效应高分子材料的形变速率对其力学性质和形变行为有显著影响。
以拉伸测试为例，高分子材料在不同的拉伸速率下表现出不同的应力-应变曲线。
在低拉伸速率下，材料表现出典型的弹性和塑性变形；而在高拉伸速率下，材料可能表现出脆性断裂行为。
高分子材料的物理化学性质
影响粘合强度的因素：
1.分子量：中等分子量
高聚物透气性能的应用 透气性能越大越好
海水淡化
选择性渗透
污水处理 富氧气体 物料分离
（二）胶粘性
胶粘性：粘合行为及被粘合行为
粘合过程：
第一阶段：液体胶黏剂分子借助于布朗运动向被粘物表面 扩散，使两者的急性基团或链节相互靠近； 第二阶段是吸附力的产生，当胶黏剂与被粘物两处分子间 距离达到0.5-1nm，分子便产生相互吸引作用，并使分子间的 距离进一步缩短到能够处于最大稳定状态的距离。
3.滞后现象
当外力不是静力，而是交变力（即应力大小呈周期性变化）时，应 力和应变的关系就会呈现出滞后现象。所谓滞后现象，是指应变随 时间的变化一直跟不上应力随时间的变化的现象。
例如，自行车行驶时橡胶轮胎的某一部分一会儿着地，一会儿离地，因而 受到的是一个交变力（图7-58）。在这个交变力作用下，轮胎的形变也是 一会儿大一会儿小的变化。形变总是落后于应力的变化，这种滞后现象的 发生是由于链段在运动时要受到内摩擦力的作用。当外力变化时，链段的 运动跟不上外力的变化，所以落后于应力，有一个相位差δ。相位差越大， 说明链段运动越困难。
（5）惰性填料：有时为了降低成本，在聚合物中加入一 些只起稀释作用的惰性填料，如在聚合物中加入粉状碳 酸钙。惰性填料往往使聚合物材料的强度降低。
（6）增塑：增塑剂的加入可使材料强度降低，只适于对 弹性、韧性的要求远甚于强度的软塑料制品。
（7）外界因素：温度、外力作用速度和作用时间对强度 都有影响。
五、高分子材料的其他性能 （一）渗透性及透气性 高分子材料通过扩散和吸收过程，使气体或 液体透过一个表面传递到另一表面渗出、从浓度 高的一侧扩散到浓度低的一侧，这种现象称为渗 透性。 影响渗透性的主要因素：温度、极性、分子 大小、链的柔性等。
高分子材料的力学性能分析
高分子材料的力学性能分析高分子材料是一类广泛应用于各个行业的材料，具有重要的地位和作用。
高分子材料的力学性能对于其应用的稳定性和可靠性具有至关重要的影响。
因此，对高分子材料的力学性能进行分析和评估是非常重要的工作。
首先，我们来了解高分子材料的力学性能包括哪些方面。
高分子材料的力学性能主要包括强度、韧性和刚性等方面。
强度是指高分子材料在受力作用下抵抗断裂的能力，通常用抗拉强度来表示。
韧性是指高分子材料能够在受力作用下发生可逆性变形的能力，通常用断裂伸长率和冲击韧性来表示。
刚性是指高分子材料在受力作用下不发生可逆性变形的能力，通常用弹性模量来表示。
这些力学性能指标可以通过一系列测试方法得到。
其次，我们来探讨高分子材料力学性能分析的方法和工具。
力学性能分析需要使用一些专业的测试设备和仪器，例如拉伸试验机、冲击试验机、扭转试验机等。
这些设备可以通过施加不同方向和大小的外力来评估高分子材料的不同力学性能。
通过这些测试方法，我们可以得到高分子材料的力学性能曲线，从而分析和评估其力学性能特点。
在力学性能分析中，我们还需要考虑高分子材料的成分和结构对力学性能的影响。
高分子材料通常是由分子链组成的，分子链的结构和排列方式对力学性能具有重要影响。
例如，聚合度高的高分子材料有较高的强度，分子链的交联程度高的高分子材料有较高的韧性。
此外，添加剂和填充物的使用也可以改善高分子材料的力学性能。
例如，加入增强纤维可以提高高分子材料的强度和刚性。
在实际应用中，高分子材料的力学性能要符合特定的要求。
不同行业和领域对于高分子材料的力学性能要求各不相同。
例如，在汽车工业中，要求高分子材料具有较高的刚性和耐热性，以保证车身的稳定性和安全性。
在医疗行业中，要求高分子材料具有较高的耐腐蚀性和生物相容性，以确保医疗器械的安全和有效性。
因此，在力学性能分析中，我们需要将高分子材料的特定要求考虑进去，以便更好地满足实际应用的需求。
最后，力学性能分析的结果对于改进高分子材料的性能和设计优化具有重要意义。
高分子材料的力学性能与断裂行为分析
高分子材料的力学性能与断裂行为分析高分子材料在日常生活和工业生产中具有广泛的应用。
了解高分子材料的力学性能和断裂行为对于材料设计和工程应用至关重要。
本文将对高分子材料的力学性能和断裂行为进行分析和讨论。
一、高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能包括强度、刚度、韧性等指标。
强度是材料抵抗外部加载和应力集中的能力，刚度是材料对外力的响应程度，而韧性则反映了材料的断裂行为。
1.1 强度高分子材料的强度与其分子结构、结晶度、分子量以及添加的填料等因素密切相关。
通常来说，高分子材料的强度较低，容易发生塑性变形和破坏。
然而，通过改变分子结构和添加增强剂，可以显著提高高分子材料的强度。
1.2 刚度刚度是材料对外力的响应程度。
高分子材料的刚度通常由分子链的柔性和分子交联度决定。
分子链较为柔软的高分子材料具有较低的刚度，而分子交联度较高的高分子材料则具有较高的刚度。
刚度可以通过调整高分子材料的结晶度、分子量和添加增强剂等方法进行改善。
1.3 韧性韧性是材料的断裂行为的一个重要指标，也是衡量高分子材料抵抗断裂的能力。
高分子材料通常具有较高的韧性，能够发生大量的塑性变形和吸收较大的断裂能量。
韧性可以通过改变材料的分子结构、添加韧化剂和改变处理条件等方法进行改善。
二、高分子材料的断裂行为高分子材料的断裂行为通常表现为拉伸断裂、剪切断裂和冲击断裂等形式。
2.1 拉伸断裂拉伸断裂是高分子材料最常见的断裂行为形式。
在拉伸过程中，高分子材料会逐渐变细并最终断裂。
材料的拉伸断裂强度是衡量其抵抗拉伸加载的能力。
拉伸断裂的形貌通常可以通过断口形态观察来判定高分子材料的断裂机制，如韧化断裂、脆性断裂等。
2.2 剪切断裂剪切断裂主要发生在高分子材料的剪切区域。
剪切断裂强调的是材料在受到扭矩或切割力作用下的断裂行为。
在剪切断裂中，高分子材料会发生剪切变形，并在剪切应力达到一定程度时突然断裂。
2.3 冲击断裂冲击断裂通常发生在高分子材料受到高速撞击或冲击加载时。
高分子材料的力学性能研究
高分子材料的力学性能研究高分子材料广泛应用于工程、医学、生物和纳米技术等领域，因其良好的可塑性、机械性能和化学稳定性备受关注。
了解高分子材料的力学性能对于改善材料设计和应用至关重要。
本文将探讨高分子材料的力学性能研究方法和相关的研究成果。
一、力学性能研究方法1. 实验方法实验方法是研究高分子材料力学性能的常用手段之一。
常用的实验方法包括拉伸实验、压缩实验和剪切实验。
拉伸实验通常用于测量材料的弹性模量、屈服强度和断裂强度等参数。
压缩实验可用于研究高分子材料在受压力时的变形和破坏行为。
剪切实验通常用于研究高分子材料的剪切变形和断裂行为。
2. 数值模拟方法数值模拟方法在研究高分子材料的力学性能方面发挥着重要作用。
常用的数值模拟方法包括分子动力学模拟、有限元分析和分子力场模拟。
分子动力学模拟能够提供高分子材料在原子尺度上的力学行为信息。
有限元分析是一种基于数学方法的力学模拟技术，可以研究高分子材料的力学行为及其变形情况。
分子力场模拟基于分子间相互作用力原理，能够模拟高分子材料的结构和力学行为。
二、力学性能研究成果1. 强度性能强度是衡量高分子材料耐力学应力的指标，也是研究中常关注的一个参数。
通过实验和数值模拟方法可以获得不同高分子材料的强度性能数据。
例如，拉伸实验可以得到高分子材料的屈服强度和断裂强度。
数值模拟方法可以模拟高分子材料在受力过程中的应力分布和破坏行为，进一步解释实验结果。
2. 变形行为高分子材料在受力下的变形行为是力学性能研究的重点之一。
通过实验和模拟方法可以研究高分子材料的弹性、塑性和粘弹性行为。
例如，拉伸实验可以测量材料的应变和应力关系，以及应力的恢复情况。
数值模拟方法可以模拟高分子材料的变形过程及其对应的应力状态，进一步解释实验现象。
3. 断裂行为断裂行为是研究高分子材料力学性能的另一个重要方面。
强度不仅仅取决于材料的强度性能，还与材料的断裂方式有关。
通过实验和模拟方法可以研究高分子材料的断裂方式和断裂韧性。
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2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变
应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时其 几何形状和尺寸所发生的变化。
材料
外力作
用 发生形变
材料欲保持原
状
产生附加内力
外力卸载
内力使形变回复并自行逐步消除
应力：单位面积上的内力。
高分子材料的力学状态
2.2 高分子材料的力学性能
材料受力方式的基本类型
物质从一种平衡状态
外场作用下 通过分子运动
与外界条件相适 应的另一种平衡状态
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
高分子材料的力学状态
Strain softening 应变软化 B
B Y
Y
N
D
A A
plastic deformation
Strain hardening
塑性形变
应变硬化
E D A
D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的高分应子材力料的-力应学变状态曲线（玻璃态）
2.2 高分子材料的力学性能
高分子材料的力学状态
2、高分子材料的 性能特点
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
物质的物理状态
相态 凝胶态
热力学概念 动力学概念
凝胶态
力学状态
根据物质对外场（外部作用）特别是外力场 的响应特性划分。
按物质力学性能随温度变化的特性划分。
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
气态 物质的力学三态 液态
晶区起交联点作用。温度，非晶区进入高弹态， 整个材料具有韧性和强度。
结晶度>40% 晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象。
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩 尔平均质量。
不呈现高弹态
呈现高弹态
图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
实例
PS
硬PVC
PMMA 酚醛树脂
增韧EP
PC ABS HDPE
硫化橡胶 未硫化橡胶
软PVC
齐聚物
软~硬：模量 强~高弱分子：材料拉的力学伸状态强度 韧~脆：断裂能
（3）常温下处于玻璃态的聚合高分物子材通料的常力用学状作态 塑料。
高弹态
Tg ～Tf
（1）分子运动机制：链段“解冻”，可以运动 形变量大，100-1000﹪
（2）力学特征： 模量小，105-107Pa 形变可逆，一个松弛过程
（3）常温下处高于分高子材弹料的态力学的状态高聚物用作橡胶材料。
分子运动特点之一：时间依赖性
线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg ）；
高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（Tf）
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
Tg
Tf
Td
玻璃态
T<T
g
（1）分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动。
（2）力学特征：形变量小(0.01 ～ 1%)，模量高(109 ～ 1010 Pa)。 形变与时间无关，呈普弹性。
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性
高弹态聚合物最重要的力学
性能
聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特
的力学性质，又称橡胶弹性。
高弹性的特点：
弹性模量小；
橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa
形变量很大；
形变量一般～500%，可达1000%。普通金属材料的形
固态
温度增加
聚合物力学状态具有特殊性。原因：
没有气态； 具有非晶态； 结晶具有不完善性。
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
线型无定形聚合物的力学三态及其转变
热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意 等速升温
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
F
A0
l0
A A0
l F
F Dl
F
简单拉伸示意图
简单剪切示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
剪切应力、剪切应变
高分子材料的力学状态
2.2 高分子材料的力学性能
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
F
扭转
高分子材料的力学状态
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？
Cross-linked 交联
Network（3D） 网状
答案：不出现粘流态。
高分子材料的力学状态
2.1 高分子材料的力学状态
玻璃化转变现象及Tg的重要性
自由体积理玻论璃化转变是高聚物的一种普遍现象。
发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能： T>Tg 时高聚物处于高弹态（弹性体） T<Tg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
高分子材料的力学状态
电子万能材料试验机
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
高分子材料的力学状态
2.2 高分子材料的力学性能
Point of elastic limit 弹性极限点
Yielding point 屈服点
Breaking point 断裂点
Tg是决定材料使用范围的重要参数： Tg 是橡胶的最低使用温度 Tg 是塑料的最高使用温度
高分子材料的力学状态
2.2 高分子材料的力学性能
表征材料力学性能的基本指标
应力-应变 弹性模量 - 拉伸（杨氏）模量
剪切（刚性）模量 硬度 体积（本体）模量
机械强度 - 拉伸（抗张）强度 弯曲强度 冲击强度
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
（2）力学特征：形变量很大（流动） 形变不可逆
模量极小
（3）高T分f与子材摩料的尔力学平状态均质量有关
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物的力学三态及其转变
结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 轻度结晶聚合物