[理学]第七章高聚物的力学性能
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《高聚物的力学性能》课件
行业中的应用
轻量化、耐磨性和隔音 性等特性使高分子材料 在汽车中得到广泛使用。
高分子材料用于建筑材 料、涂料、胶粘剂和绝 缘材料等方面。
3 高分子材料在医疗
行业中的应用
高分子材料在医疗器械、 药物传递和组织工程等 领域具有广泛的应用。
六、发展趋势
高聚物力学性能的发展趋势包括：
1
纳米技术的应用
纳米技术使材料具有更好的力学性能
对高聚物力学性能的测试可以通过以下实验进行。
1
弯曲实验
2
测量材料在弯曲过程中的应力-应变关
系。
3
疲劳实验
4
测量材料在循Hale Waihona Puke 加载下的持久性能。拉伸实验
测量材料在拉伸过程中的应力-应变关 系。
压缩实验
测量材料在压缩过程中的应力-应变关 系。
四、分析高聚物力学性能的因素
高聚物力学性能受多种因素影响，包括：
先进制造技术的进展
2
和其他特殊性质。
先进制造技术的不断发展促进了高聚 物材料的创新和应用。
结语
高聚物的力学性能对材料和行业的发展至关重要。我们对高聚物力学性能的研究和应用有着广阔的未来 展望。
二、高聚物力学性能的指标
高聚物的力学性能指标描述了材料在受力时的表现。
1 强度
2 刚度
材料的抗力（强度）衡量了材料能够承受 的最大应力。
材料的刚度反映了材料抵抗形变的能力。
3 韧性
4 可塑性
材料的韧性描述了材料延展性和能够吸收 能量的能力。
材料的可塑性描述了材料的形变能力。
三、高聚物的力学性能测试方法
分子量
分子量越大，材料的强度和刚度通常会增加。
分子结构
轻量化、耐磨性和隔音 性等特性使高分子材料 在汽车中得到广泛使用。
高分子材料用于建筑材 料、涂料、胶粘剂和绝 缘材料等方面。
3 高分子材料在医疗
行业中的应用
高分子材料在医疗器械、 药物传递和组织工程等 领域具有广泛的应用。
六、发展趋势
高聚物力学性能的发展趋势包括：
1
纳米技术的应用
纳米技术使材料具有更好的力学性能
对高聚物力学性能的测试可以通过以下实验进行。
1
弯曲实验
2
测量材料在弯曲过程中的应力-应变关
系。
3
疲劳实验
4
测量材料在循Hale Waihona Puke 加载下的持久性能。拉伸实验
测量材料在拉伸过程中的应力-应变关 系。
压缩实验
测量材料在压缩过程中的应力-应变关 系。
四、分析高聚物力学性能的因素
高聚物力学性能受多种因素影响，包括：
先进制造技术的进展
2
和其他特殊性质。
先进制造技术的不断发展促进了高聚 物材料的创新和应用。
结语
高聚物的力学性能对材料和行业的发展至关重要。我们对高聚物力学性能的研究和应用有着广阔的未来 展望。
二、高聚物力学性能的指标
高聚物的力学性能指标描述了材料在受力时的表现。
1 强度
2 刚度
材料的抗力（强度）衡量了材料能够承受 的最大应力。
材料的刚度反映了材料抵抗形变的能力。
3 韧性
4 可塑性
材料的韧性描述了材料延展性和能够吸收 能量的能力。
材料的可塑性描述了材料的形变能力。
三、高聚物的力学性能测试方法
分子量
分子量越大，材料的强度和刚度通常会增加。
分子结构
第七八章 高聚物的力学性能
松弛时间与应力有如下关系：
DE a 0 exp RT
DE是活化能，是与材料有关的常数
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-应变曲线大致分为六类：
e （1）
e （2）
（1）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。 （2）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
材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同，材料受力方式主要有以 下三种基本类型：
（i）简单拉伸（tensile)：
材料受到一对 垂 直于材料 截面、大小相等、方向相反并在同一直线 上的外力作用。 材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸长率（ ）。 F
A0
A
l0 Dl F
l
简单拉伸示意图
拉伸应力 = F / A0 （A0为材料的起始截面积） 拉伸应变（相对伸长率）e = （l - l0）/l0 = Dl / l0
（6）材料弱而脆：一般为低聚物，不能直接用做材料。 附：强与弱从强度比较；硬与软从模量比较；脆与韧则主要从 断裂伸长率比较。
结晶聚合物的拉伸
结晶聚合物在单向拉伸时典型的应力-应变曲线如下图：
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，因之产生的形变 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。
7.1.3
高聚物的屈服
a-拉伸脆性断裂试样， b-韧性材料拉伸屈服时的试样 高聚物单轴拉伸的应力分析
第七章 高聚物的力学性质.ppt
2
第七章 高聚物的力学性质
1-1 力学性能分类
• 力学性能是高聚物优异物理性能的基础 • 如：某高聚物磨擦，磨耗性能优良，但力
学性能不好，很脆。不能用它作减摩材料
• 如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它
们有一定的力学性能：强度和韧性。如果 折叠几次就破裂，那么这种材料的电绝缘 性虽好，也不能用作电线。
乙丙橡胶： CH2 CH2 CH CH2
CH3
丙烯睛—丙烯酸酯胶：
CH2 CH CH2 CH
CN
RO C O
(2)主链上含双键较少的丁基橡胶（异丁烯与 异戊二烯）
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第七章 高聚物的力学性质
(3)主链上含S原子的聚硫橡胶
CH2 CH2 S S SS
(4)主链上含有O原子的聚醚橡胶
f
77%
33%
11%
4%
固定拉伸时的张力－温度曲线
T (K )
• 截距为
u
( l )T,V；斜率为
f
。 (T )l,V
• 发现各直线外推到 T 0 时均通过原点，
即截距为0
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第七章 高聚物的力学性质
• 得：f
T
(
S T
)
l
,V
• 所以橡胶拉伸时，内能几乎不变，而主要引
它与一般材料的普弹性的差别就是因为构象的改 变；形变时构象熵减小，恢复时增加。内能在高弹 性形变中不起主要作用（它却是普弹形变的主要起 因）
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第七章 高聚物的力学性质
（2）高聚物的粘弹性：指高聚物材料不但具有弹 性材料的一般特性，同时还具有粘性流体的一些 特性。弹性和粘性在高聚物材料身上同时呈现得 特别明显。
高聚物的力学性能
Biblioteka u ( )T ,V 0 l
S f T ( )T ,V l
理想高弹体拉伸时，只引起熵变； 只有熵的变化对理想高弹体有贡献。
理想高弹体的高弹性即为熵弹性。
实际橡胶可看成理想高弹体，因此高弹性的本质为熵弹性。
江门职业技术学院材料系
f
2、 fu =?
f
fs fu
6
四、影响高弹性的结构因素 1、相对分子质量大，分子链长且柔性好。 2、具有无定形态（非晶态）结构。 3、大分子链间有适度的交联。
外力作用在橡胶上，一方面使橡胶的内能随伸长而变化， 另一方面使橡胶的熵随伸长而变化。 橡胶的内部张力是由于变形时内能发生变化和熵发生变化引起的。
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三、橡胶弹性的热力学分析
由实验橡胶拉伸时f 、fu、fs与ε的关系曲线：
fu 0
3、理想高弹体及橡胶高弹性的本质 理想高弹体：等温等容形变过程中内能保持不变的弹性体。
江门职业技术学院材料系 2
一、橡胶的使用温度范围
2、改善低温易脆性，降低Tg ，减少结晶，提高橡胶的耐寒性 耐寒性：抵抗低温易脆性的能力。 Tg 低，低温下，σi↑，耐寒性好。 橡胶的结晶度低、提高增塑剂的含量、共聚上可使Tg 降低的组分，耐寒 性都可提高。
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3
二、高弹性的特点
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7
聚合物在高弹态表现的力学性质为高弹性。 1、弹性模量小，形变量大，为高弹形变 2、弹性模量E与温度有关 模量其实是抵抗形变的能力， 高弹态大分子链段易活动，大分子链趋于卷曲，对橡胶施加外力时，橡胶 大分子有回缩力， 温度升高，链段活动能力↑，大分子链卷曲程度↑ ，回缩力↑， E↑。 3、形变需要时间，即高弹形变与时间有关 高弹形变是由链段的运动来实现的，而链段运动是松弛过程，因此高弹形 变需要时间，或者说形变落后于外力。 4、形变时有热效应 橡胶伸长变形时，①分子链排列规整性提高，熵值减小； ②分子间的内摩擦产生热量； ③由于分子链排列规整性提高，结晶，放热。 因此，橡胶被拉伸时放热，回缩时就会吸热。 金属材料被拉伸时吸热：金属为结晶材料，拉伸时结晶被破坏，吸热。
S f T ( )T ,V l
理想高弹体拉伸时，只引起熵变； 只有熵的变化对理想高弹体有贡献。
理想高弹体的高弹性即为熵弹性。
实际橡胶可看成理想高弹体，因此高弹性的本质为熵弹性。
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f
2、 fu =?
f
fs fu
6
四、影响高弹性的结构因素 1、相对分子质量大，分子链长且柔性好。 2、具有无定形态（非晶态）结构。 3、大分子链间有适度的交联。
外力作用在橡胶上，一方面使橡胶的内能随伸长而变化， 另一方面使橡胶的熵随伸长而变化。 橡胶的内部张力是由于变形时内能发生变化和熵发生变化引起的。
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三、橡胶弹性的热力学分析
由实验橡胶拉伸时f 、fu、fs与ε的关系曲线：
fu 0
3、理想高弹体及橡胶高弹性的本质 理想高弹体：等温等容形变过程中内能保持不变的弹性体。
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一、橡胶的使用温度范围
2、改善低温易脆性，降低Tg ，减少结晶，提高橡胶的耐寒性 耐寒性：抵抗低温易脆性的能力。 Tg 低，低温下，σi↑，耐寒性好。 橡胶的结晶度低、提高增塑剂的含量、共聚上可使Tg 降低的组分，耐寒 性都可提高。
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二、高弹性的特点
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聚合物在高弹态表现的力学性质为高弹性。 1、弹性模量小，形变量大，为高弹形变 2、弹性模量E与温度有关 模量其实是抵抗形变的能力， 高弹态大分子链段易活动，大分子链趋于卷曲，对橡胶施加外力时，橡胶 大分子有回缩力， 温度升高，链段活动能力↑，大分子链卷曲程度↑ ，回缩力↑， E↑。 3、形变需要时间，即高弹形变与时间有关 高弹形变是由链段的运动来实现的，而链段运动是松弛过程，因此高弹形 变需要时间，或者说形变落后于外力。 4、形变时有热效应 橡胶伸长变形时，①分子链排列规整性提高，熵值减小； ②分子间的内摩擦产生热量； ③由于分子链排列规整性提高，结晶，放热。 因此，橡胶被拉伸时放热，回缩时就会吸热。 金属材料被拉伸时吸热：金属为结晶材料，拉伸时结晶被破坏，吸热。
第七章 高聚物的力学性质1
1、屈服的特征 高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服 点后高聚物将在恒应力下“塑性流动”。 高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变 为0.1至0.2. 屈服点后，大多数高聚物呈现应变软化，有些 还非常迅速。 屈服应力对应变速率和温度都很敏感。 屈服以后有微小的体积减小，但屈服时还没有 体积增大。
A0
3、压缩应变：在均匀（流体静力）压缩的 情况下，材料受到围压力P发生体积形变
Δ V Δ V0
弹 性 模 量
杨氏模量：
E
切变模量：
s F G＝ r A0tg
体积模量：
P PV0 B V
F A0 l l0
泊淞比：
m m l l 横向单向单位宽度的 纵向单位宽度的增加
增强填料
（1）粉末填料：炭黑、二氧化硅等 补强机理：活性表面能与若干高分子链相结合形成一种交联
结构，如炭黑增强橡胶，橡胶分子可以接在炭黑表面。当其中一根 分子链受到应力时，可以通过交联点传递给其他分子链，如果其中 一根分子链断裂，其他链可以照常起作用，而不影响整体。
（2）纤维状填料：碳纤维、玻璃纤维、天然 纤维等，它们具有高模量，耐热、耐磨、 耐化学试剂及特殊的电性能等，因而在航 空航天、电讯、化工等领域广泛应用。 （3）液晶：聚酯
不同条件下的拉伸曲线
(1)不同温 度
a) T << Tg 脆 性断裂、形变小、 σ∝ε b) T < Tg 出现 屈服点形变稍大， 前部σ ∝ ε c) T < Tg 韧性 断裂、形变大， 前部σ ∝ ε (有 些高聚物出现) d) T > Tg 进 入高弹态、形变 大、不出现屈服 点
(2)不同拉伸速率 ' ' ' ' 拉伸速率： 1＞ 2 ＞ 3 ＞ 4
第七章 高聚物的力学性质(修改2)
真应力—应变曲线的类型： 屈服点判据：在屈服点，曲线出现拐点ds/d = 0。
(7-31) (7-32) 表示在 = -1 处向 s ’– 曲线作切线， 切点就是屈服点，对应的真应力就是 屈服应力ζ’y 。
五、 高聚物的破坏和理论强度
1. 高聚物的破坏的微观过程
a. 化学键的破坏 b. 分子间的滑脱 c. 分子间力的破坏
2. 理论强度 (1). 化学键的破坏：实际强度比理论值小几十倍， 因为试样受到外力作用时，不可能所有分子链在同 一个截面上被同时拉断。 (2). 分子间的滑脱：分子间滑脱的断裂必须使分子 间的作用力（范德华力或氢键）全部破坏，但是， 不可能单纯由分子间滑脱引起的断裂。 (3). 分子间力的破坏：分子是垂直于受力方向排列 的，断裂时是部分氢键或范德华力的破坏，此时， 理论强度与实际强度属同数量级。
以法应力ζαn 和切应力ζαs对截面倾角作图： 当＝0°时，则ζαn ＝ ζ0 ， ζαs ＝0； 当＝45°时，则ζαn ＝ ζαs ＝ζ0 /2； 当＝90°时，则ζαn ＝ 0 ， ζαs ＝0； 当= 45 °时，切应力出现最大值； 当 = 0 °时，法应力出现最大值。
对于倾角为β＝α ＋ 90°的另一个截面，
E.S.Clark提出了能弹性机理来解释硬弹性材料这种 特殊的力学行为。
高抗冲聚苯乙烯(HIPS)也具有硬弹性行为，它们具有 板块-微纤复合结构，提出了硬弹性的表面能理论，认 为硬弹性主要是由形成微纤的表面能改变所致。
5. 应变诱发塑料—橡胶转变
某些嵌段共聚物的应变软化现象，如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段 共聚物(SBS)，当塑料相和橡胶相接近1：1时，常温下材料为塑 料，其拉伸行为起先与一般塑料的冷拉现象类似。
四、 高聚物的屈服
高聚物的力学性能
●相对分子质量及分布对强度的影响
规律：强度随相对分子质量的增大而增加，分布宽窄影响不大，但低聚物部分增加时，因低分子部分发生分子间断裂而使强度下降。
●低分子掺合物对强度的影响
规律：低分子物质的加入降低强度。
▓实例增塑剂的加入能降低强度，但对脆性高聚物而言，少量加入低分子物质，能增加强度。
●交联对强度的影响
规律：适度交联增加强度，但过度交联，在受外力时，会使应力集中而降低强度。
▓实例橡胶的适度交联。
●结晶对强度的影响
规律：结晶度增大，强度增加，但材料变硬而脆；大球晶增加断裂伸长率，小球晶增加韧性、强度、模量等；纤维状晶体强度大于折叠晶体强度。
▓实例缓慢降温有利形成大球晶，淬火有利形成小球晶。
●取向对强度的影响
规律：取向能增加取向方向上材料的强度。
§5高聚物的力学性能
特例：以橡胶为改性剂，提高高聚物材料抗冲击性能。
对橡胶的要求：玻璃化温度必须远低于使用温度；橡胶不溶于刚性高聚物而形成二相；两种高聚物溶解行为上相似，有利于相互黏着。
若三条件达不到，加入第三组分。
效果：原脆性高聚物的冲击强度提高5～10倍。
高聚物生产技术配套教学资源第七章习题参考的答案
M较小
结晶态高聚物的物理状态
M很大
玻璃态 高弹态 黏流态
第七章 高聚物的物理性能 第3题
解答：
●玻璃化温度的定义 高聚物分子链段开始运动或冻结的温度。 ●玻璃化温度的使用价值 玻璃温度是非晶态高聚物作为塑料使用的最高温度；是作为橡胶使用的最低 温度。（一般用Tg表示） ●影响玻璃化温度的因素 主链柔性对玻璃温度的影响 对主链柔性有影响的因素，都影响玻璃化温 度。为柔性越大，其玻璃化温度越低。 分子间作用力对玻璃化温度的影响 分子间作用力越大，其玻璃化温度越 高。 相对分子质量对玻璃化温度的影响 玻璃化温度随高聚物平均相对分子质量 的增加而增大，但当平均相对分子质量增加到一定程度时，玻璃化温度趋于某一 定值。
Y
A
应力
Y A
键角。对应 为弹性伸长极限。
▲强迫高弹形变（A点～B点）
中间经过屈服点Y，对应的 表示高 聚物材料对抗永久形变的能力；形变能力
A Y
应变
B
A-弹性极限；Y-屈服点；B-断裂点
300%～1000%，并且可逆；运动单元为链段。
第七章 高聚物的物理性能 第8题
续解： ▲黏流形变（B点后） 形变为不可逆（永久形变）；运动单元为链段、大分子链。 ●非晶态高聚物的六种应力-应变曲线与使用的关系 ▲可以作为工程塑料的高聚物
第七章 高聚物的物理性能 第 10 题
续解： ▓实例 缓慢降温有利形成大球晶，淬火有利形成小球晶。 ●取向对强度的影响 规律：取向能增加取向方向上材料的强度。 ●填充物对强度的影响
规律：适当填充活性填料增加强度。 实例 橡胶填充炭黑；玻璃钢填充玻璃纤维。
●材料中缺陷对强度的影响
缺陷指向与危害：杂质、不塑化树脂粒、气泡、降解物等造成微小裂纹，当材料受到 外力作用时，在缺陷处产生应力集中，致使材料断裂、破坏。
第七章 高聚物的力学性质2
N个网链的熵变为：
2 2 2 2 2 2 S Si K 2 x ( 1) y ( 1) z ( 1 i 2 i 3 1) i i 1 i 1 n N
2 2 2 2 2 2 KN 2 x ( 1) y ( 1) z ( 1 i 2 i 3 1) i
橡胶可在200℃以上长期使用。
CH3 O Si CH3
B、改变取代基的结构
甲基、苯基都是供 电基团，这两种橡 胶耐高温老化性差
氯原子对双键和α氢原子都 有保护作用，它是双烯类 橡胶中耐热性最好的
耐热达300℃
C、改变交联链的结构
2、降低Tg改善其耐寒性
增加分子连的柔性，降低聚合物结晶速度
从高斯分布。
高斯分布密度函数：
3 3 3 2 2 2 2nl 2nele 2h0
2
3 W ( x. y.z ) 3/ 2 e
2
( x2 y 2 z 2 )
ne：链段数 le：链段长度
h02 :等效自由结合
链均方末端距
根据波尔兹曼定律：体系熵值与微观状态数的关系为：
根据赫姆霍尔兹自由能定义：恒温过程中，外力对体系作 的功等于体系自由能的增加。 即：
1 W F NTK ( 21 2 2 32 3) 2
f
对于单轴拉伸，体积不变⊿V=0
入1 入3 入2
入1=入
入1入2入3=1
入2=入3
入2=入3= 1/入
1 2 2 W F NKT ( 3) 2
h2 S KN 2 ( 21 2 2 32 3) 3
交联网络的构象熵
1 S NK ( 21 2 2 32 3) 2
2 2 2 2 2 2 S Si K 2 x ( 1) y ( 1) z ( 1 i 2 i 3 1) i i 1 i 1 n N
2 2 2 2 2 2 KN 2 x ( 1) y ( 1) z ( 1 i 2 i 3 1) i
橡胶可在200℃以上长期使用。
CH3 O Si CH3
B、改变取代基的结构
甲基、苯基都是供 电基团，这两种橡 胶耐高温老化性差
氯原子对双键和α氢原子都 有保护作用，它是双烯类 橡胶中耐热性最好的
耐热达300℃
C、改变交联链的结构
2、降低Tg改善其耐寒性
增加分子连的柔性，降低聚合物结晶速度
从高斯分布。
高斯分布密度函数：
3 3 3 2 2 2 2nl 2nele 2h0
2
3 W ( x. y.z ) 3/ 2 e
2
( x2 y 2 z 2 )
ne：链段数 le：链段长度
h02 :等效自由结合
链均方末端距
根据波尔兹曼定律：体系熵值与微观状态数的关系为：
根据赫姆霍尔兹自由能定义：恒温过程中，外力对体系作 的功等于体系自由能的增加。 即：
1 W F NTK ( 21 2 2 32 3) 2
f
对于单轴拉伸，体积不变⊿V=0
入1 入3 入2
入1=入
入1入2入3=1
入2=入3
入2=入3= 1/入
1 2 2 W F NKT ( 3) 2
h2 S KN 2 ( 21 2 2 32 3) 3
交联网络的构象熵
1 S NK ( 21 2 2 32 3) 2
高聚物的力学性能材料科学基础
由于高聚物突出的粘弹性，其应力-应变
行为受温度和应变速率的影响很大。 图9-26（温度对应力—应变行为的影响） 韧-脆转变温度称为脆化温度Tb
应变速率对高聚物应力—应变行为的影响
规律，可概括为“降低应变速率的效果相 当于升高温度”。
2、高聚物的屈服与冷拉
玻璃态高聚物在Tb~Tg之间和部分结晶高
四、高聚物的应力—应变行为
1、高聚物典型的应力—应变行为： 高聚物的品种很多，力学性能变化范围很广，就
室温下的应力—应变行为而言有四种典型的曲线。 图9-25 判断材料强、弱的指标是断裂强度； 判断材料刚与软的指标是弹性模量； 判断材料淬与韧的指标是断裂能； 凡是能出现屈服点、断裂强度高、断裂伸长率大 的材料，一般具有良好的韧性。
聚物在Tb~Tm之间典型的拉伸应力-应变 曲线和试样形状的变化过程如图9-27 冷拉的概念 冷拉后残留变形的恢复 银纹现象： 银纹不同于裂纹： 银纹仍有一定的强度 银纹的形成是玻璃态高聚物脆性断裂的先 兆，裂纹是通过银纹扩展的。（图9-30）
3、高聚物的断裂强度
高聚物断裂机理假设：
形变
非 晶 态 聚 合 物
玻 璃 态
温度 Tf Tg Tg – glass transition temperature 玻璃化转变温度
Tf – viscosity flow temperature 粘流温度
The relationship between modulus and temperature 模量与温度的关系
与金属材料相比，高聚物的模量和强度要低 得多，而最大断裂伸长率又比金属高得多。
刚而脆：弹性模量高，抗拉强度大，没有屈服点，
断裂伸长率一般小于2%。 刚而强：弹性模量高，抗拉强度大，断裂伸长率 可达5%。 软而韧：弹性模量低，屈服点低或没有明显的屈 服点，伸长率很大 20%~1000% ，断裂强度较高。 刚而韧：弹性模量高，有明显的屈服，屈服强度 和抗拉强度都高，断裂伸长率较大。应力—应变 曲线包围的面积很大，表明这类材料是良好的韧 性材料。
高聚物概述与力学性能
高聚物的概述和力学性能
（2）高聚物的粘弹性：指高聚物材料不 但具有弹性材料的一般特性，同时还 具有粘性流体的一些特性。弹性和粘 性在高聚物材料身上同时呈现得特别 明显。
高聚物的粘弹性表现在它有突出的力 学松弛现象，在研究它的力学性能时 必须考虑应力、应变与时间的关系。 温度对力学性能也是非常重要的因素
真应变：
l dl i l l0 i
切应变：
压缩应变：
r tg
是偏斜角
V V0
张应力： F 切应力：
A0
真应力：
s
F A0
F A
压力P
高聚物的概述和力学性能
弹 杨氏模量： 切变模量： 体积模量：
性 模
E F A0 l l0
量 泊松比：
G＝s F r A0tg
B P PV0 V
《1》孤立柔性高分子链的构象熵 《2》橡胶交联网形变过程的熵变 《3》交联网的状态方程
（应力~应变关系） 《4》状态方程的偏差及其修正
高聚物的概述和力学性能
2-4 橡胶的使用温度
在高于一定温度时，橡胶由于老化而 失去弹性；在低于一定温度时，橡胶 由于玻璃化而失去弹性。
如何改善橡胶的耐热性和耐寒性，即 扩大其使用温度的范围是十分重要的。
高聚物的概述和力学性能
为了改善其耐老化性能我们采取 1.改变橡胶主链结构 (1)主链不含双键
乙丙橡胶： CH2 CH2 CH CH2 CH3
丙烯睛—丙烯酸酯胶：
CH2 CH CH2 CH
CN
RO C O
(2)主链上含双键较少的丁基橡胶（异丁
烯与异戊二烯）
高聚物的概述和力学性能
(3)主链上含S原子的聚硫橡胶
处于高弹态的高聚物表现出独特的力学 性能——高弹性
（2）高聚物的粘弹性：指高聚物材料不 但具有弹性材料的一般特性，同时还 具有粘性流体的一些特性。弹性和粘 性在高聚物材料身上同时呈现得特别 明显。
高聚物的粘弹性表现在它有突出的力 学松弛现象，在研究它的力学性能时 必须考虑应力、应变与时间的关系。 温度对力学性能也是非常重要的因素
真应变：
l dl i l l0 i
切应变：
压缩应变：
r tg
是偏斜角
V V0
张应力： F 切应力：
A0
真应力：
s
F A0
F A
压力P
高聚物的概述和力学性能
弹 杨氏模量： 切变模量： 体积模量：
性 模
E F A0 l l0
量 泊松比：
G＝s F r A0tg
B P PV0 V
《1》孤立柔性高分子链的构象熵 《2》橡胶交联网形变过程的熵变 《3》交联网的状态方程
（应力~应变关系） 《4》状态方程的偏差及其修正
高聚物的概述和力学性能
2-4 橡胶的使用温度
在高于一定温度时，橡胶由于老化而 失去弹性；在低于一定温度时，橡胶 由于玻璃化而失去弹性。
如何改善橡胶的耐热性和耐寒性，即 扩大其使用温度的范围是十分重要的。
高聚物的概述和力学性能
为了改善其耐老化性能我们采取 1.改变橡胶主链结构 (1)主链不含双键
乙丙橡胶： CH2 CH2 CH CH2 CH3
丙烯睛—丙烯酸酯胶：
CH2 CH CH2 CH
CN
RO C O
(2)主链上含双键较少的丁基橡胶（异丁
烯与异戊二烯）
高聚物的概述和力学性能
(3)主链上含S原子的聚硫橡胶
处于高弹态的高聚物表现出独特的力学 性能——高弹性
第七讲 聚合物的力学性能PPT课件
28
应力一应变曲线类型
29
7.2 影响应力-应变曲线的因素 (a) Temperature
T
Example-PVC
a: T<<Tg
脆断
T b: T<Tg
屈服后断
c: T<Tg 几十度 韧断
d: Tg以上 无屈服
30
温度对PMMA的应力-应变曲线的影响
31
(b) Different strain rate
10
Strength-Toughness Diagram
11
Strength-Toughness Diagram-Polymers
12
Strength-Density Diagram
13
Strength-Density Diagram-Polymers
14
Strength-Cost Diagram
39
(g) Orientation
➢强度随取向急剧增长，模量也随取向增大。 ➢晶粒取向完成较早，强度的急剧提高主要跟非晶区链 段取向关联。
40
7.3 聚合物的屈服
什么是屈服？
➢高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后高聚
屈 物将在恒应力下“塑性流动”，即链段沿外力方向开始 取向；
服 主
➢高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为10%20%（与金属相比）；
23
Resisitivity-Cost Diagram-Polymers
24
本章研究内容
➢高聚物的应力-应变曲线 ➢影响应力-应变曲线的因素 ➢聚合物的屈服 ➢聚合物的断裂与强度 ➢聚合物的拉伸强度、冲击强度
25
7.1 聚合物的应力-应变曲线
应力一应变曲线类型
29
7.2 影响应力-应变曲线的因素 (a) Temperature
T
Example-PVC
a: T<<Tg
脆断
T b: T<Tg
屈服后断
c: T<Tg 几十度 韧断
d: Tg以上 无屈服
30
温度对PMMA的应力-应变曲线的影响
31
(b) Different strain rate
10
Strength-Toughness Diagram
11
Strength-Toughness Diagram-Polymers
12
Strength-Density Diagram
13
Strength-Density Diagram-Polymers
14
Strength-Cost Diagram
39
(g) Orientation
➢强度随取向急剧增长，模量也随取向增大。 ➢晶粒取向完成较早，强度的急剧提高主要跟非晶区链 段取向关联。
40
7.3 聚合物的屈服
什么是屈服？
➢高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后高聚
屈 物将在恒应力下“塑性流动”，即链段沿外力方向开始 取向；
服 主
➢高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为10%20%（与金属相比）；
23
Resisitivity-Cost Diagram-Polymers
24
本章研究内容
➢高聚物的应力-应变曲线 ➢影响应力-应变曲线的因素 ➢聚合物的屈服 ➢聚合物的断裂与强度 ➢聚合物的拉伸强度、冲击强度
25
7.1 聚合物的应力-应变曲线
高聚物的力学性质
影响因素
强迫高弹形变是松弛过程，外力大 小、温度及外力作用速度等外部因素对 它均有影响，外力作用速度要适中。 作用速度太快：来不及发生，要发生脆 性断裂，太慢，要发生一部分粘性形变。
但，强迫高弹性主要是由高聚物的结构因素决定 的，其必要条件是高聚物具有可运动的链段，但它 又不同于普通的高弹性。后者要求分子具有柔性结 构，而前者要求分子链不能太柔顺，因为柔性很大 的链在冷却成玻璃态时，分子之间堆砌紧密，链段 运动困难，要使链段运动需要很大的外力，甚至超 过材料的强度，所以柔性很大的高聚物在玻璃态是 脆性的， Tb和Tg很接近。刚性过大的高聚物，虽 然链堆砌较松散，但链段不能运动，也不出现强迫 高弹性，材料仍是脆性的，只有刚性适中才会出现 强迫高弹性。
形变过程
弹性形变 -屈服-应变软化-冷拉-应变硬化-断裂
从应力—应变曲线可以获得的被拉伸 聚合物的信息
聚合物的屈服强度 （Y点强度） 聚合物的杨氏模量 （OA段斜率） 聚合物的 断裂强度 （B点强度） 聚合物的断裂伸长率 （B点伸长率） 聚合物的断裂韧性 （曲线下面积）
判断高聚物软硬、强弱、脆韧的方法：
第七章 高聚物的力学性质
第七章 高聚物的力学性质 高聚物材料具有所有已知材料中可变性范围最宽 的力学性能。包括从液体、软橡皮到刚性固体。各 种高聚物对于机械应力的反应相差很大。这种力学 性质的多样性，为不同的应用提供了广阔的选择余 地。然而与金属材料相比，高聚物的力学性质对温 度和时间的依赖性要强烈得多，表现为高聚物的粘 弹性行为，即同时具有液体的粘性和固体的弹性。 高聚物的力学性质之所以具有这些特点，是由于 高分子由长链分子组成，分子运动具有明显的松弛 特性的缘故。而各种高聚物力学性质的差异，直接 决定于各种结构因素，除了化学组成外，这些结构 因素包括分子量及其分布、支化和交联、结晶度和 结晶的形态、共聚方式、分子取向、增塑以及填料 等。
高分子材料学 17 properties 高聚物的力学性能
• 够大的力：sy < s < sb
• 适Tb：当脆的化温温度度：（Tb<TT<T<Tb，g，不（能塑发料展的强使迫用高温弹度形范变围）），
• 适当的作用速度：太快来不及产生，太慢形成部 分粘流
• 结构：太柔（分子堆砌太紧密）、太刚（链段不 能运动）都导致脆性
• 分使子材量 料：呈太脆小性（，分没子有堆强砌迫太高紧弹密态，Tb 、Tg接近 ）
晶态高聚物的弹性形变
NJU
NANJING UNIVERSITY
• 第II阶段的大形变是微晶重排、破坏、形成微纤的过 程。通常不易回复（形变被新的结晶冻结），加热到
Tm附近，则重新回复，本质上仍是高弹形变。
A→D：
微晶偏转，滑移， 破裂，形成微纤；
Materials
形变可达百分之 几百
非晶与晶态高聚物高弹形变的异同
• 脆性材料：没有屈服，断裂面与拉伸方向垂直，断裂 面光洁；
• 韧性材料：屈服，断裂面与拉伸方向呈45˚角；材料 内部出现“剪切带”。
脆性材料 韧性材料
为什么？
Materials
PET的剪切带
切应力双生互等定律
NJU
NANJING UNIVERSITY
F
F
A0
A
Fn Fs
F
s n
s b n s s s b s
• 高聚物的粘弹性：
– 力学性能的温度、时间依赖性，同时具有液体和固体的性质。
• 高聚物的力学性能是由其结构决定的：
– 化学结构、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。
• 玻璃态和结晶态的力学性质 • 高弹态的力学性质 • 高聚物的力学松弛：粘弹性
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第七章 高聚物的力学性能
1
内容
概述
描述力学性能的基本物理量 高聚物力学性能的特点 应力-应变曲线 玻璃态非晶高聚物的拉伸 结晶高聚物的拉伸 真应力-应变曲线几其屈服判据
高分子的应力-应变行为
高聚物的强度
2
1、概述
z拉伸
拉伸强度：拉伸（杨氏）模量，断裂伸长率，屈服 强度，100％定伸应力…
11
¾ 粘弹性：力学行为对温度和时间有强烈的依赖关系 ——为高聚物独特的力学行为 σ（应力） ε（应变） T（温度） t（时间） ¾ 比强度特高 比强度——单位重量材料能承受的最大负荷。
12
在研究高聚物力学行为 时必须同时考虑
几种金属材料和塑料(增强)的比强度
材 料 名 称 高级合金钢 A3钢 铝合金 铸铁 聚乙烯 尼龙66 玻璃增强尼龙66 聚酯玻璃钢 环氧玻璃钢 酚醛玻璃钢 玻璃增强聚碳酸酯 玻璃增强聚砜 玻璃增强ABS 比 重 8.0 7.85 2.8 7.4 0.95 1.12 1.3～1.5 1.8 1.73 1.75 1.4 1.45 1.23～1.36 拉伸强度（MPa） 1280 400 420 240 30 83 98～218 290 500 200 120～130 126 59～133 比强度 160 50 160 32 31.6 74.1 143 160 280 115 92.9 86.9 97.8
7
不同材料的泊松比 材料名称 锌 钢 铜 铝 铅 汞 泊松比 0.21 0.25~0.35 0.31~0.34 0.32~0.36 0.45 0.50 材料名称 玻璃 石料 聚苯乙烯 聚乙烯 赛璐珞 橡胶类 泊松比 0.25 0.16~0.34 0.33 0.38 0.39 0.49~0.50
8
（2）常用的几种力学强度
软~硬：模量
σ
σy σb
Y Y’ B’
B
α
0
εy
εb
ε
16
应力-应变曲线的类型
序号 类型 曲线 模量 拉伸强度 断裂伸长率 断裂能 实例 高 中 小 小 PS PMMA 酚醛树脂 高 高 中 中 硬PVC AS 高 高 大 大 PC ABS HDPE 低 中 很大 大 硫化橡胶 软PVC 低 低 中 小 未硫化橡胶 齐聚物 1 硬而脆 2 硬而强 3 强而韧 4 软而韧 5 软而弱
z
拉伸强度σt= P/bd （最大负荷/截面积)Mpa 1 Mpa = 9.8 kg/cm2 ≈ 10 kg/cm2 弯曲强度 σf = 1.5(Plo/bd2) MPa
z
z
冲击强度 σi = W/bd Kg cm/cm2
9
常见塑料的拉伸和弯曲强度
塑料名称 低压聚乙烯 聚苯乙烯 ABS塑料 有机玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 尼龙66 尼龙6 尼龙1010 聚甲醛 聚碳酸酯 聚砜 聚酰亚胺 拉伸强度 （MPa） 22～39 35.2～63.3 16.9～63.3 49.2～77.3 33.7～42.2 35.2～63.3 83 74～78 52～55 62～68 67 72～85 94.5 伸长率 % 60～150 12～25 10～140 2～10 200～700 20～40 60 150 100～250 60～75 60～100 20～100 68 拉伸模量 （GPa） 0.84～0.95 2.8～3.5 0.7～2.9 3.2 1.2～1.4 2.5～4.2 3.2～3.3 2.6 1.6 2.8 2.2～2.4 2.5～2.9 弯曲强度 （MPa） 25～40 61.2～98.4 25.3～94.9 91.4～119 42.2～56.2 70.3～112 100～110 100 89 91～92 98～106 108～127 ＞100 2.9～3.0 2.4～2.6 1.3 2.6 2.0～3.0 2.8 3.2 1.2～1.6 3.0 弯曲模量 （GPa） 1.1～1.4
13
1、高分子的应力-应变行为
14
2、高分子的应力-应变行为
应力-应变曲线 拉伸应力
F σ= A0
l − l 0 Δl ε= = l0 l0
A0
AF
拉伸应变
l0
l
真应力
F σ’ = A
Δl F
15
1）应力-应变曲线 Y:屈服点
σy: 屈服强度 εy: Байду номын сангаас服伸长率
B:断裂点 σb: 断裂强度 εy: 断裂伸长率 拉伸强度：σ t = Ι (σ y , σ b ) 杨氏模量： E = tan α 断裂能：OYB面积
聚苯醚
氯化聚醚 线性聚酯 聚四氟乙烯
86.5～89.5
42.3 80 14～25
30～80
60～160 200 250～350
2.6～2.8
1.1 2.9 0.4
98～137
70～77 117 11～14
2.0～2.1
0.9
10
2）高聚物力学性能的特点 ¾ 高弹性——高聚物特有 显示高弹性的温度范围（Tg~Tf）； 分子量增大，温度范围（Tg~Tf）增宽； （Tg~Tf）的范围决定了橡胶的使用温度范围。
σS F = G= γ A 0 tgθ
P B= ΔV V0
6
三种应变模量的关系 对于各向同性的材料有 E = 2G (1+ν) = 3B (1-2ν) ν(泊松比)：横向形变与纵向形变之比。
Δm
ν = − Δλ
m0 λ0
(横向形变 ) − ε t = (纵向形变 ) ε
一般材料ν约为0.2~0.5。
z冲击
悬臂梁，简支梁，落锤… 缺口，无缺口 z弯曲 强度，模量 z摩擦 摩擦系数，磨损量… z…
3
1）描述力学性质的基本物理量 受 简单拉伸 力 方 式 简单剪切 均匀压缩
受 力 特 点
外力F是与截面 垂直，大小相 等，方向相反， 作用在同一直线 上的两个力。
外力F是与界面 材料受到的是 围压力。 平行，大小相 等，方向相反的 两个力。
4
（1）三种基本应变的模量 ¾拉伸: 杨氏模量 E (MPa) σ-应力 ε-应变 F-拉伸力 AO-试样原始截面积 λO-试样原始长度 Δλ-伸长长度
5
A0 σ E= = ε Δλ λ0
F
¾ 剪切: 剪切模量:G (MPa) σs ―剪切应力 γ ―剪切应变 = tgθ ¾ 压缩: 体积模量 B (Kg) P ―流体静压力 ΔV ―体积变化 VO ―原始体积
1
内容
概述
描述力学性能的基本物理量 高聚物力学性能的特点 应力-应变曲线 玻璃态非晶高聚物的拉伸 结晶高聚物的拉伸 真应力-应变曲线几其屈服判据
高分子的应力-应变行为
高聚物的强度
2
1、概述
z拉伸
拉伸强度：拉伸（杨氏）模量，断裂伸长率，屈服 强度，100％定伸应力…
11
¾ 粘弹性：力学行为对温度和时间有强烈的依赖关系 ——为高聚物独特的力学行为 σ（应力） ε（应变） T（温度） t（时间） ¾ 比强度特高 比强度——单位重量材料能承受的最大负荷。
12
在研究高聚物力学行为 时必须同时考虑
几种金属材料和塑料(增强)的比强度
材 料 名 称 高级合金钢 A3钢 铝合金 铸铁 聚乙烯 尼龙66 玻璃增强尼龙66 聚酯玻璃钢 环氧玻璃钢 酚醛玻璃钢 玻璃增强聚碳酸酯 玻璃增强聚砜 玻璃增强ABS 比 重 8.0 7.85 2.8 7.4 0.95 1.12 1.3～1.5 1.8 1.73 1.75 1.4 1.45 1.23～1.36 拉伸强度（MPa） 1280 400 420 240 30 83 98～218 290 500 200 120～130 126 59～133 比强度 160 50 160 32 31.6 74.1 143 160 280 115 92.9 86.9 97.8
7
不同材料的泊松比 材料名称 锌 钢 铜 铝 铅 汞 泊松比 0.21 0.25~0.35 0.31~0.34 0.32~0.36 0.45 0.50 材料名称 玻璃 石料 聚苯乙烯 聚乙烯 赛璐珞 橡胶类 泊松比 0.25 0.16~0.34 0.33 0.38 0.39 0.49~0.50
8
（2）常用的几种力学强度
软~硬：模量
σ
σy σb
Y Y’ B’
B
α
0
εy
εb
ε
16
应力-应变曲线的类型
序号 类型 曲线 模量 拉伸强度 断裂伸长率 断裂能 实例 高 中 小 小 PS PMMA 酚醛树脂 高 高 中 中 硬PVC AS 高 高 大 大 PC ABS HDPE 低 中 很大 大 硫化橡胶 软PVC 低 低 中 小 未硫化橡胶 齐聚物 1 硬而脆 2 硬而强 3 强而韧 4 软而韧 5 软而弱
z
拉伸强度σt= P/bd （最大负荷/截面积)Mpa 1 Mpa = 9.8 kg/cm2 ≈ 10 kg/cm2 弯曲强度 σf = 1.5(Plo/bd2) MPa
z
z
冲击强度 σi = W/bd Kg cm/cm2
9
常见塑料的拉伸和弯曲强度
塑料名称 低压聚乙烯 聚苯乙烯 ABS塑料 有机玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 尼龙66 尼龙6 尼龙1010 聚甲醛 聚碳酸酯 聚砜 聚酰亚胺 拉伸强度 （MPa） 22～39 35.2～63.3 16.9～63.3 49.2～77.3 33.7～42.2 35.2～63.3 83 74～78 52～55 62～68 67 72～85 94.5 伸长率 % 60～150 12～25 10～140 2～10 200～700 20～40 60 150 100～250 60～75 60～100 20～100 68 拉伸模量 （GPa） 0.84～0.95 2.8～3.5 0.7～2.9 3.2 1.2～1.4 2.5～4.2 3.2～3.3 2.6 1.6 2.8 2.2～2.4 2.5～2.9 弯曲强度 （MPa） 25～40 61.2～98.4 25.3～94.9 91.4～119 42.2～56.2 70.3～112 100～110 100 89 91～92 98～106 108～127 ＞100 2.9～3.0 2.4～2.6 1.3 2.6 2.0～3.0 2.8 3.2 1.2～1.6 3.0 弯曲模量 （GPa） 1.1～1.4
13
1、高分子的应力-应变行为
14
2、高分子的应力-应变行为
应力-应变曲线 拉伸应力
F σ= A0
l − l 0 Δl ε= = l0 l0
A0
AF
拉伸应变
l0
l
真应力
F σ’ = A
Δl F
15
1）应力-应变曲线 Y:屈服点
σy: 屈服强度 εy: Байду номын сангаас服伸长率
B:断裂点 σb: 断裂强度 εy: 断裂伸长率 拉伸强度：σ t = Ι (σ y , σ b ) 杨氏模量： E = tan α 断裂能：OYB面积
聚苯醚
氯化聚醚 线性聚酯 聚四氟乙烯
86.5～89.5
42.3 80 14～25
30～80
60～160 200 250～350
2.6～2.8
1.1 2.9 0.4
98～137
70～77 117 11～14
2.0～2.1
0.9
10
2）高聚物力学性能的特点 ¾ 高弹性——高聚物特有 显示高弹性的温度范围（Tg~Tf）； 分子量增大，温度范围（Tg~Tf）增宽； （Tg~Tf）的范围决定了橡胶的使用温度范围。
σS F = G= γ A 0 tgθ
P B= ΔV V0
6
三种应变模量的关系 对于各向同性的材料有 E = 2G (1+ν) = 3B (1-2ν) ν(泊松比)：横向形变与纵向形变之比。
Δm
ν = − Δλ
m0 λ0
(横向形变 ) − ε t = (纵向形变 ) ε
一般材料ν约为0.2~0.5。
z冲击
悬臂梁，简支梁，落锤… 缺口，无缺口 z弯曲 强度，模量 z摩擦 摩擦系数，磨损量… z…
3
1）描述力学性质的基本物理量 受 简单拉伸 力 方 式 简单剪切 均匀压缩
受 力 特 点
外力F是与截面 垂直，大小相 等，方向相反， 作用在同一直线 上的两个力。
外力F是与界面 材料受到的是 围压力。 平行，大小相 等，方向相反的 两个力。
4
（1）三种基本应变的模量 ¾拉伸: 杨氏模量 E (MPa) σ-应力 ε-应变 F-拉伸力 AO-试样原始截面积 λO-试样原始长度 Δλ-伸长长度
5
A0 σ E= = ε Δλ λ0
F
¾ 剪切: 剪切模量:G (MPa) σs ―剪切应力 γ ―剪切应变 = tgθ ¾ 压缩: 体积模量 B (Kg) P ―流体静压力 ΔV ―体积变化 VO ―原始体积