第一章_高分子材料性能学

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高分子材料性能学
（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.
F
A0
A
拉伸应变：
l
l l0 l l0 l0
l0 l
拉伸应力：
F
F A0
20
高分子材料性能学
真应力-真应变
真应力： 真
F A

真应变: 真 0
真
dl l d ln l0 l l0
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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高分子材料性能学
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
E
G
KP


V
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高分子材料性能学
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
m0 横向应变 l 轴向应变 l0 m
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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高分子材料性能学
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高分子材料性能学
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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高分子材料性能学
八、参考书目
1. 2. 3. 4. 5. 《材料性能学》王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年 《材料性能学》张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年 《高分子物理》何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年 《高分子物理》金日光等主编，化学工业出版社，2007年 《高聚物的力学性能》何平笙编著，中国科学技术大学出版社， 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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高分子材料性能学
第1章 高分子材料的常规力学性能
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高分子材料性能学
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
弹性模量较大，约109~1010Pa。 形变小，机械性能随温度变化不大
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高分子材料性能学
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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高分子材料性能学
高分子科学各课程间的联系
成分/结构、制备 高分子化学 聚合反应工程 理论 和物质 高分子成型与加工 基础 高分子物理 高分子材料性能学 高分子材料 实用 价值
U S f l T ,V l T ,V
材料在等温、等容条件下发生弹性回复的驱动力由内能变 化和熵变两部分组成。
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高分子材料性能学
弹性变形的特点 1)可逆性：去掉外力后变形消失 弹性变形都是可逆变形 2).金属、陶瓷或结晶态高聚物：应力-应变线性 关系，弹性变形量都较小
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。 常见的三大失效形式：磨损、腐蚀、断裂
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高分子材料性能学
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。
●结晶态高聚物的形变-温度曲线
形变%
1
2
Tg < T < Tm 高弹态 T > Tf 粘流态
Tg
Tm
Tf T/℃
1-相对分子质量较小
2-相对分子质量很大
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高分子材料性能学
●交联高聚物的温度-形变曲线
ε
交联度增加
T
交联度较小时：有Tg ，根据环境温度高或低于Tg， 可判断材料处于高弹态或玻璃态。 交联度大时：链段运动困难，玻璃化转变难以发 生，材料始终处于玻璃态
正切值定义为切应变γ
A0
F
F
剪切应变：
γ tanθ
F 剪切应力： A0
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高分子材料性能学
（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 0V V V V0 V0
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高分子材料性能学
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：
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高分子材料性能学
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 弹性、塑性 韧性 硬度 强度
力 材料脆性 学 性 力学性能 能 材料软硬程度 表 征 材料抵抗外力能力
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高分子材料性能学
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高分子材料性能学
五、材料性能的四个方面
高分子材料的非理想弹性行为：
滞弹性、粘弹性、内耗
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高分子材料性能学
非理想弹性变形 （1）滞弹性 材料在快速加载或卸载后，随时间的延长 而产生的附加弹性应变的性能，又称弹性后效。
弹簧 薄膜传感器
动画引自九江学院杜大明《材料科学基础》ppt
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高分子材料性能学
滞弹性示意图

A
B
正弹性后效
加载时应变落后于应力
2个切变模量：
Gtt为横向切变模量 Glt为纵向切变模量
1个本体模量K
2个泊松比：
对纵向力为Vtt 对横向力为Vtl
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高分子材料性能学
双轴取向高分子材料 5个独立的弹性模量：
Ep为面向杨氏模量 Et为侧向杨氏模量 Gp为面向切变模量
Gt为侧向切变模量。
2个泊松比：
对面向力为Vpt
对侧向力为Vtp
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高分子材料性能学
1.2 高分子材料的分子运动和力学状态转变
1.2.1 高分子材料的分子运动特点 （1）运动单元和模式的多重性 （2）分子运动的时间依赖性 （3）分子运动的温度依赖性
xt x0 e
oe
t /
E / RT
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高分子材料性能学
1.2.2 高分子材料的力学状态及转变
高分子材料性能学
彭 志 平
材料科学与工程学院A323
高分子材料性能学
绪
一、材料分类
金属材料 无机非金属材料 高分子材料
论
复合材料
2
高分子材料性能学
热固性塑料
(酚醛、脲醛等) 1.塑料
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。
b
ε
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高分子材料性能学
拉伸过程高分子链的三种运动情况：
▲弹性形变（开始～e点）
▲强迫高弹形变
▲塑性变形
y（屈服点） e
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高分子材料性能学
弹性变形与塑性变形
动画引自九江学院杜大明《材料科学基础》ppt
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高分子材料性能学
弹性变形
材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子（离子）或分 子自平衡位臵产生可逆位移的反映。橡胶类材料则是呈卷 曲状的分子链在力的作用下通过链段运动沿受力方向产生 的伸展。
●线型非晶态高聚物的形变-温度曲线
A-玻璃态
形变%
A B
C
D E
B-过渡区
C-高弹态
D-过渡区
Tb Tg
T/℃
Tf
E-黏流态
Tb-脆化温度；Tg-玻璃化温度；Tf-黏流温度
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高分子材料性能学
●线型非晶态高聚物的三种物理状态的对比
三种物理 状态
玻璃态 Tb～Tg 高弹态 Tg～Tf 黏流态
运动单元
加工工艺、成型 结构与性能关系 材料的使用性能 材料的分类与应用
实际 应用
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高分子材料性能学
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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高分子材料性能学
四、材料性能的划分
性 能 划 分 力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度 物理性能：热学、磁学、电学、光学 耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性
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高分子材料性能学
1.3 高分子材料的拉伸行为
哑铃状试件
L0=5.65A01/2 或11.3A0 1/2
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高分子材料性能学
1.3.1 线型非晶态高聚物的应力-应变曲线
e-弹性极限点
y -屈服点
σ
b y
应变软化 应变硬化 冷拉 p-比例极限 p-比例极限 b -断裂点
e
p
p e y
力学行为特征
应用
塑料、纤维
键长、键角 形变小，并且形变可逆， 属于普弹性能。结构类似 基团 玻璃，弹性模量大。 链段 形变大，形变可逆，弹性 模量较小。
橡胶
Tf～Td
链段、大分 形变为不可逆，属于永久 成型加工、油漆、 子链 形变，无强度。流动取决 黏合剂 于相对分子质量大小。
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高分子材料性能学
3).橡胶态的高聚物：应力-应变不呈线性关系，
且变形量较大
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高分子材料性能学
弹性变形的力学性能指标
（1）弹性模量：是单位应变所需应力的大小，物理意义是 产生100 %弹性变形所需的应力。 （2）比例极限σp：是保持应力与应变成正比关系的最大应力， 即在应力-应变曲线上刚开始偏离直线时的应力
p

e
e
e 1 ae e e 2 2E
2
提高弹性比功的方法： 提高σe 降低E（提高弹性极限应变εe）
o
e

橡胶低E和高弹性应变—高弹性 比功
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高分子材料性能学
非理想弹性 理想弹性行为：
E
（1）.应变-应力线性 （2）.应力和应变同相位 （3）.应变是应力的单值函数
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. 这是因为在拉伸时高分子链要断键，需要 较大的力；剪切时是层间错动，较容易实现。
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高分子材料性能学
单轴取向高分子材料
2个杨氏模量：
El为纵向杨氏模量 Et为横向杨氏模量
Fp A0
（3）弹性极限σe： 是材料发生可逆的弹性变形的上限应力值，
应力超过此值，则材料发生塑性变形 。
Fe e A0
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高分子材料性能学
（4）弹性比功： 是材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的
弹性变形功，又称弹性比能或应变比能，用αe表示，它在数值
上等于应力-应变曲线弹性段以下所包围的面积
3
高分子材料性能学Baidu Nhomakorabea
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
高分子材料性能学
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）
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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高分子材料性能学
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）

O e
a c d b H
反弹性后效

卸载时应变落后于应力
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高分子材料性能学
（2） 粘弹性
定义：材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理 同时存在的一种力学行为 粘性：液体或溶体内质点间或流层间因相对运动而 产生的内摩擦力以反抗相对运动的性质。
特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过 一个驰豫过程，卸载不留残余变形；应力和应变的关系与 时间有关。
l
, 真
真应力-应变曲线
l 0 l l ln ln ln(1 ) l0 l0
工程应力-应变曲线
,真
真 (1 )
证明？
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高分子材料性能学
（2）简单切变
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