第十一章 聚合物的力学性能
《高聚物的力学性能》课件
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
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。
聚合物动态力学性能测定
实验7 聚合物动态力学性能的测定聚合物材料，如塑料、橡胶、纤维及其复合材料等都具有粘弹性，用动态力学的方法研究聚合物材料的粘弹性，已证明是一种非常有效的方法。
材料的动态力学行为是指材料在振动条件下，即在交变应力（或交变应变）作用下作出的力学响应。
测定材料在一定温度范围内的动态力学性能的变化即为动态力学分析（dynamic mechanical thermal analysis, DMTA ）一、二、实验目的了解动态力学分析的测量原理及仪器结构。
了解影响动态力学分析实验结果的因素，正确选择实验条件。
掌握动态力学分析的试样制备及测试步骤。
掌握动态力学分析在聚合物分析中的应用。
实验原理聚合物的粘弹性是指聚合物既有粘性又有弹性的性质，实质是聚合物的力学松弛行为。
研究聚合物的粘弹性常采用正弦的交变应力，使试样产生的应变也以正弦方式随时间变化。
这种周期性的外力引起试样周期性的形变，其中一部分所做功以位能形式贮存在试样中，没有损耗，而另一部分所做功，在形变时以热的形式消耗掉。
应变始终落后应力一个相位，以拉伸为例，当试样受到交变的拉伸应力作用时，其交变应力和应变随时间的变化关系如下： 应力 )sin(0δϖσσ+=t (7-1))900(0<<δ应变t ϖεεsin 0= (7-2) 式中0σ和0ε为应力和形变的振幅；ω是角频率；δ是应变相位角。
式（7-1）和式（7-2）说明应力变化要比应变领先一个相位差δ，见图7.1。
图7.1 应力应变和时间的关系将式（7-1）展开为：δϖσδωσσsin cos cos sin 00t t += (7-3)即认为应力由两部分组成，一部分)cos sin (δϖσt 与应变同相位，另一部分)sin cos (0δϖσt 与应变相差2/π。
根据模量的定义可以得到两种不同意义的模量，定义'E 为同相位的应力和应变的比值，而''E 为相位差2/π的应力和应变的振幅的比值，即t E t E ϖεωεσcos ''sin '00+= （7-4）此时模量是一个复数，叫复数模量*E 。
5. 高聚物的力学性能
L
L
N
H
（1）温度
(1)
(3)
应力
(2)
(4)
应变
（2）应变速率
(1)
(3)
应力
(2)
(4)
应变
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。
Stress
Yield stress
(4)断裂强度 (5)断裂伸长率 (6)断裂韧性
Strain
以应力应变曲线测定的韧性
d
量纲=Pam/m=N/m2 m/m= J/m3
材料在屈服点之前发生的断裂称为脆性断裂 brittle fracture ； 在屈服点后发生的断裂称为韧性断裂 ductile fracture 。
5.1.2细颈
1）细颈的形成原因
本质：剪切力作用下发生塑性流动 A0 F F
F
F
Fn F α F 正应力 0 A0 切向力 A Fs
A0 斜截面面积 A sin
F
法向力 Fn＝F·sinα
Fs＝F·cosα
A
法应力： n Fn 0 sin 2 切应力： S FS 0 sin cos 1 0 sin 2
A
plastic deformation 塑性形变
Strain hardening 应变硬化
A E A
O
A y
B
图 非晶态聚合物在玻璃态的应力-应变曲线
第十一章复合材料的力学性能.
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在第I阶段，纤维和基体都处于弹性变形状态，复合 材料也处于弹性变形状态，且
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复合材料进入变形第II阶段时，纤维仍处于弹性状态， 但基体已产生塑性变形，此时复合材料的应力为：
由于载荷主要由纤维承担，所以随着变形的增加，纤 维载荷增加较快，当达到纤维抗拉强度时，纤维破断， 此时基体不能支持整个复合材料载荷，复合材料随之 破坏。
（2）剪切型 纤维之间同向弯曲，基体
主要产生剪切变形，这种 屈曲模式较为常见。
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复合材料沿纤维方向受压时，可以认为纤维在基体内的 承力形式像弹性杆。
假设基体仅提供横向支持，载荷由纤维均摊，复合材料 的抗压强度由纤维在基体内的微屈曲临界应力控制。
将单向纤维复合材料简化成纤维和基体薄片相间粘接的 纵向受压杆件，当外载荷增至一定值后，纤维开始失稳， 产生屈曲。
纤维复合材料的比模量大，因而它的自振频率很高，在加载 速率下不容易出现因共振而快速断裂的现象。
同时复合材料中存在大量纤维，与基体的界面，由于界面对 振动有反射和吸收作用，所以复合材料的振动阻尼强，即使 激起振动也会很快衰减。
(5) 可设计性强
通过改变纤维、基体的种类和相对含量，纤维集合形式及排 布方式等可满足复合材料结构和性能的设计要求。
第十一章 复合材料的力学性能
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20世纪60年代以来，航天、航空、电子、汽车等高技术领 域的迅速发展，对材料性能的要求日益提高，单一的金属、 陶瓷、高分子材料已难以满足迅速增长的性能要求。
为了克服单一材料性能上的局限性，人们越来越多的根据 构件的性能要求和工况条件，选择两种或两种以上化学、 物理性质不同的材料，按一定的方式、比例、分布组合成 复合材料，使其具有单一材料所无法达到的特殊性能或综 合性能。
第十一章 聚合物的力学性能
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
理想弹性体（如弹簧）在外力作用下平衡形变瞬间达 到，与时间无关；理想粘性流体（如水）在外力作用下形变 随时间线性发展。
聚合物的形变与时间有关，但不成线性关系，两
者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间，聚合物
的这种性能称为粘弹性。
聚合物的力学性能随时间的变化统称为力学松弛。
最基本的力学松弛现象包括蠕变、应力松弛、滞后和
在规定试验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上沿轴向 施加拉伸负荷，直至试样被拉断。
P
宽度b
厚度d
P
试样断裂前所受的最大负荷P与试样横截面积之比为抗张 强度t： t = P / b • d
（ii）抗弯强度 也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度的测定是在规定的试 验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。 设试验过程中最大的负荷为P，则抗弯强度f为： f = 1.5Pl0 / bd2
强迫高弹形变产生的原因 原因在于在外力的作用下，玻璃态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，形变也就得不到恢复原，只有当温度升至Tg附近， 使链段运动解冻，形变才能复原。这种大形变与高弹态的 高弹形变在本质上是相同的，都是由链段运动所引起。 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：
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。
§1.2 聚合物的热力学性能
聚合物的热力学性能
θf是塑料成型加工的最低温度，
通过加入增塑剂可降低聚合物
粘流温度。 粘流温度有关因素： 与聚合物结构有关； 与其相对分子质量有关； 一般相对分子质量越高，粘流温度也越高。
§1.2
聚合物的热力学性能
塑料成型加工中，其加工温度的选择: 首先要进行塑料熔融指数及粘度的测定，粘度 值小、熔融指数大的塑料，其加工温度相对要低 一些，但这种材料制成的产品强度不高。 ——高度交联的体型聚合物(热固性树脂)，由 于其分子运动阻力大，一般温度对其力学状态的 改变较小，因此通常不存在粘流态甚至高弹态。
温度较低，分子运动能量很低，链段处于被冻 结的状态，只有较小的单元：侧基、支链和小链 节能运动，所以，不能实现构象的转变。
§1.2
聚合物的热力学性能
高聚物玻璃态的力学性质： 受到外力时，只能使主链的 键长和键角有微小的改变。 宏观表现为高聚物受力后形变小，且可逆的； 弹性模量较高，聚合物处于刚性状态； ——物体受力的变形符合虎克定律，即应力与 应变成正比，并在瞬时达到平衡。 聚合物处于玻璃态时硬而不脆，可做结构件使 用，但使用温度不低于脆化温度θb，否则会发生 断裂，使塑料失去使用价值。
§1运动 对聚合物的韧性有很大影响。 4.晶态聚合物的晶区内分子运动。
§1.2
聚合物的热力学性能
二、聚合物的热力学性能 1.非晶态高聚物的热力学性能 固体聚合物分类： 晶态聚合物 非晶态聚合物。 热力学曲线： 描述高聚物在恒定应力作用下形变随温度改变 而变化的关系曲线。
§1.2
聚合物的热力学性能
当结晶度达到40％时，微晶体 彼此衔接，形成贯穿整个材料的 连续结晶相。 此时，结晶相承受的应力比非 结晶相大得多，使材料变得坚硬，宏观上将觉察 不到它有明显的玻璃化转变。
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。
聚合物的动态力学性能
实验七 聚合物的动态力学性能1. 实验目的要求1.1 掌握使用DMA Q800型动态力学分析仪测定聚合物的复合模量、储能模量和损耗模量的原理及方法。
1.2 能够通过数据分析，了解聚合物的结构特性。
2. 实验原理当样品受到变化着的外力作用时，产生相应的应变。
在这种外力作用下，对样品的应力-应变关系随温度等条件的变化进行分析，即为动态力学分析。
动态力学分析是研究聚合物结构和性能的重要手段，它能得到聚合物的储能模量（E '），损耗模量（E ''）和力学损耗（tan δ），这些物理量是决定聚合物使用特性的重要参数。
同时，动态力学分析对聚合物分子运动状态的反映十分灵敏，考察模量和力学损耗随温度、频率以及其它条件的变化的特性可得聚合物结构和性能的许多信息，如阻尼特性、相结构及相转变、分子松弛过程、聚合反应动力学等等。
本实验采用DMA Q800型动态力学分析仪分析聚合物在一定频率下，动态力学性能随温度的变化。
如果在试样上加一个正弦应力σ，频率为ω，振幅为0σ，则应变ε也可以以正弦方式改变，应力与应变之间有一相位差δ，可分别表示为：0sin t εεω=0sin()t σσωδ=+式中0σ和0ε分别为应力和应变的幅值，将应力表达式展开：00cos sin()sin cos t t σσδωδσδω=++应力波可分解为两部分，一部分与应力同相位，峰值为0cos σδ，与储存的弹性能有关，另一部分与应变有90°的相位差，峰值为0sin σδ，与能量的损耗有关。
定义储能模量（E '），损耗模量（E ''）和力学损耗（tan δ）：00(/)cos E σεδ'= 00(/)sin E σεδ''=sin tan cos E E δδδ''=='复数模量可表示为：*E E iE '''=+其绝对值为：E =在交变应力作用下，样品在每一周期内所损耗的机械能可通过下式计算：320()()W t d t E φεσπε''∆==∆与E''成正比，因此，样品损耗机械能的能力高低可以用E''或tanδ值的大小来W衡量。
聚合物材料的动态力学性能测试.doc-中国聚合物网_高分子、高分子材料...
实验15 聚合物材料的动态力学性能测试在外力作用下，对样品的应变和应力关系随温度等条件的变化进行分析，即为动态力学分析。
动态力学分析能得到聚合物的动态模量( E′)、损耗模量(E″)和力学损耗(tanδ)。
这些物理量是决定聚合物使用特性的重要参数。
同时，动态力学分析对聚合物分子运动状态的反应也十分灵敏，考察模量和力学损耗随温度、频率以及其他条件的变化的特性可得到聚合物结构和性能的许多信息，如阻尼特性、相结构及相转变、分子松弛过程、聚合反应动力学等。
1. 实验目的（1）了解聚合物黏弹特性，学会从分子运动的角度来解释高聚物的动态力学行为。
（2）了解聚合物动态力学分析(DMA)原理和方法，学会使用动态力学分析仪测定多频率下聚合物动态力学温度谱。
2. 实验原理高聚物是黏弹性材料之一，具有黏性和弹性固体的特性。
它一方面像弹性材料具有贮存械能的特性，这种特性不消耗能量；另一方面，它又具有像非流体静应力状态下的黏液，会损耗能量而不能贮存能量。
当高分子材料形变时，一部分能量变成位能，一部分能量变成热而损耗。
能量的损耗可由力学阻尼或内摩擦生成的热得到证明。
材料的内耗是很重要的，它不仅是性能的标志，而且也是确定它在工业上的应用和使用环境的条件。
如果一个外应力作用于一个弹性体，产生的应变正比于应力，根据虎克定律，比例常数就是该固体的弹性模量。
形变时产生的能量由物体贮存起来，除去外力物体恢复原状，贮存的能量又释放出来。
如果所用应力是一个周期性变化的力，产生的应变与应力同位相，过程也没有能量损耗。
假如外应力作用于完全黏性的液体，液体产生永久形变，在这个过程中消耗的能量正比于液体的黏度，应变落后于应力90o，如图2-61(a)所示。
聚合物对外力的响应是弹性和黏性两者兼有，这种黏弹性是由于外应力与分子链间相互作用，而分子链又倾向于排列成最低能量的构象。
在周期性应力作用的情况下，这些分子重排跟不上应力变化，造成了应变落后于应力，而且使一部分能量损耗。
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。
聚合物材料的微观结构与力学性能的关系分析
聚合物材料的微观结构与力学性能的关系分析一、聚合物材料的微观结构介绍聚合物材料广泛应用于日常生活和工业领域中，如塑料、橡胶、纤维等。
聚合物材料的微观结构是其力学性能的决定因素之一。
聚合物材料的微观结构包括分子结构、晶型、链长、分支度、分子量分布等。
其中，分子结构和晶型是聚合物材料微观结构的两个重要方面。
1．分子结构分子结构影响聚合物材料的性质，如塑料的割裂强度、抗拉强度、硬度等。
不同聚合物材料的分子结构差异较大，例如高密度聚乙烯和低密度聚乙烯的分子结构就不同。
高密度聚乙烯的分子链比低密度聚乙烯分子链更紧密，因此具有更高的密度和更好的力学性能。
2．晶型聚合物材料的晶型对其力学性能也有重要影响。
聚合物材料的晶型包括α晶型、β晶型以及其它晶型等。
不同晶型对聚合物材料力学性能的影响不同，例如高密度聚乙烯主要存在α晶型，其力学性能比较优秀。
而低密度聚乙烯主要存在α晶型和β晶型，硬度比高密度聚乙烯差，但韧性更好。
二、聚合物材料的力学性能介绍聚合物材料具有轻质、耐腐蚀、绝缘、易成型等优异性能，已广泛应用于各个领域。
聚合物材料的力学性能是其应用的主要指标。
聚合物材料的力学性能包括力学强度、弹性模量、硬度、韧性、塑性等。
1．力学强度力学强度是聚合物材料的一个重要指标，它反映了在受到外部作用力的情况下，聚合物材料承受力量的大小。
力学强度的提高可以提高聚合物材料的负荷能力。
2．弹性模量弹性模量是聚合物材料在弹性变形范围内，材料单位截面积所受的拉应力与相应的变形（应变）之比。
弹性模量的提高可以提高聚合物材料的抗压能力。
3．硬度和韧性硬度和韧性分别是聚合物材料的刻擦和抗冲击能力。
硬度越高，耐磨性越好，但脆性越强，易爆裂；韧性越好，但刻蚀性越弱。
在应用中，需要根据不同的使用条件选择合适的聚合物材料。
4．塑性和弯曲强度聚合物材料的塑性表现为关键贮量在击穿前塑性加大而压缩强度减小，用来描述聚合物材料在受力时的伸长性和偏移性。
弯曲强度则反映聚合物材料在弯曲、扭曲等条件下受力后的力量承载能力。
高分子力学性能
图11-4
10
101.2.2 高弹性的高分子结构特征
(1)分子链的柔性 (2)分子间相互作用力 (3)分子间的交联 (4)结晶与结晶度 (5)聚合物的分子量
11
表11-2
第十章 聚合物的力学性能
12
11.2.3 橡胶弹性理论 用热力学和统计学的方法来说明橡胶的弹性现
象，定量描述交联的橡胶网络的弹性行为。 (1)橡胶弹性热力学 橡胶的张力是由于形变时内能发生变化和熵 发生变化所引起的。 (2)橡胶弹性的统计理论：自学。
A、结晶性 B．填料 C．增塑 D．温度 E．缺口
56
（2）高分子材料的增韧 两方面研究高韧性材料：
1、开发高韧性的塑料，如聚碳酸酯、聚砜、聚 芳酯和聚醚醚酮等； 2、改进现有聚合物的韧性。
57
本章重点
1. 受力方式不同，形变的三种基本形式：拉伸、 剪切和压缩；
2. 基本概念：模量（3个）、柔量、蠕变、应力松 弛、滞后、脆性断裂、韧性断裂、内耗；
以橡胶轮胎为例，得到两条正弦曲线。
24
第十章 聚合物的力学性能
图11-17
25
• 如果形变变化落后于 应力变化，发生滞后 现象，则在每一循环 中就要消耗功，称为 力学损耗或内耗。
• 这种消耗功会导致聚 合物本身温度升高， 影响材料的使用寿命
图11-18
26
• 损耗模量：消耗于克服内摩擦力。 对于理想的弹性固体，应力与形变是同相位的，
13
• 外力所做的功全部转变为高分子链构象熵的减少。 这样的弹性体称为理想弹性体，这种弹性称为熵 弹性。
• 橡胶弹性的本质基本上是熵弹性。 • 橡胶弹性力主要是熵变化引起的，或者说，当外
力拉伸时，橡胶产生放热现象。当外力压缩时， 体系仍呈放热态。这是橡胶高弹性产生的特点。
大分子聚合物力学性能的研究
大分子聚合物力学性能的研究随着科技的不断进步，人们对于新材料的研发已经不再满足于单一的材料组成，而是将复杂的多种材料组合而成，形成符合特定要求的全部新材料。
而聚合物材料作为一种重要的材料，其性能的研究至关重要。
聚合物作为一种重要的材料，不仅在日常生活中大量存在，而且在工程和科学的领域也同样得到了广泛应用。
聚合物的性能决定了它们在生产和应用中的重要性，力学性能是其中非常重要的一个方面。
在聚合物科学中，力学性能研究是一个复杂和多样的领域。
广泛的应用要求这些材料有足够的强度、刚度和韧性。
因此，大分子聚合物力学性能的研究至关重要。
一般来说，研究大分子聚合物材料的力学性能，需要从材料的结构和组成开始分析。
在分子级别上，聚合物的力学性质通常由链分子的生物聚合反应和结晶状态等因素所决定。
而在宏观层面，它的力学性质又往往取决于其结构、形状、缺陷和受外力效应的情况。
对大分子聚合物材料的力学性能进行剖析，主要可以从以下几个方面入手：1. 分析材料的形状和结构：先要确定材料的形状和结构，这些决定了材料的应力/应变响应。
当了解了材料的形状和结构后，可以使用有限元或者其他计算方法对其应力响应进行预测。
2. 测试材料在不同条件下的物性：分析材料的缺陷和物性，以确认它的强度、刚度和韧性。
在生产线上，用拉伸测试机进行拉伸、撕裂、弯曲和冲击试验等精确测量，以获得材料各项物理机械特性数据。
3. 分析大分子聚合物的晶体学和热力学性质：一般来说，聚合物的应力/应变响应取决于它们的结晶和非结晶状态。
结晶和非结晶材料的响应和热力学特性是非常不同的，因此研究不同材料形式的特性，可以提高研究效率。
4. 研究材料的建模和仿真：对于力学性能复杂的大分子聚合物材料，它们的力学性研究需要结合理论模拟方法。
此外，研究材料边界仍然是一项挑战，开发高精度模型需要对于材料的超分子组织结构有足够的理解。
总之，大分子聚合物力学性能的研究具有一定的专业性和复杂性，但对于聚合物材料的开发和应用有着重要意义。
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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。
Y
e
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。
（ii）简单剪切(shearing) 材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条 直线上的两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏斜角的正切值 定义为剪切应变（）。 剪切应变 = tg
剪切应力s = F / A0
A0
F
F
简单剪切示意图
（iii）均匀压缩（pressurizing) 材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称压缩应变（ V）。
（v）扭转（torsion）：对材料施加扭转力矩。
F F
（2）模量与柔量 弹性模量是指在弹性形变范围内单位应变所需应力的大小 （应力/应变）。是材料刚性的一种表征，反映材料抵抗形变 能力的大小。分别对应于三种材料受力和形变的基本类型的模 量如下： 拉伸模量（杨氏模量）E：E = / e 剪切模量（刚性模量）G：G = s / 体积模量（本体模量）B：B = p / V
理想弹性体（如弹簧）在外力作用下平衡形变瞬间达 到，与时间无关；理想粘性流体（如水）在外力作用下形变 随时间线性发展。
聚合物的形变与时间有关，但不成线性关系，两
者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间，聚合物
的这种性能称为粘弹性。
聚合物的力学性能随时间的变化统称为力学松弛。
最基本的力学松弛现象包括蠕变、应力松弛、滞后和
受力时发生分子链的相对位移，外力除去后粘性流动 不能回复，是不可逆形变。如下图：
e3
t1
t2
t
粘性流动示意图
当聚合物受力时，以上三种形变是同时发生的 （ε=ε1+ε2+ε3），其综合结果如下图：
e e1 e2+e3 e2
e1
t1 t2
e3
t
柔性链的蠕变明显； 温度升高，外力加大都会使蠕变显著。
（2）应力松弛
（Ⅳ）具有明显的松弛特征；
形变及回复过程通过链段运动实现，克服分子间的作用力及内摩擦力均需 要时间。
2、高弹性的本质 高弹性是由熵变引起的，在外力作用下，橡胶分子链由 卷曲状态变为伸展状态，熵减小，当外力移去后，由于热运动， 分子链自发地趋向熵增大的状态，分子链由伸展再回复卷曲状 态，因而形变可逆。 3、高弹性高分子结构特征 （1）分子链的柔性（足够高的柔性链） （2）分子间相互作用力（分子间相互作用力较小的非极性物） （3）分子间交联（一定的交联密度） （4）结晶与结晶度 ①常温下不易结晶的柔性大分子链 ②含少量结晶聚合物 （5）M（适中）
外力频率适中，滞后现象明显（链段运动发生，但不同步 跟上）
③力学损耗或内耗：形变的变化落后于应力的变化，发生 滞后现象，在每一循环中要消耗功，这种消耗功转变为热 能释放出来，而导致聚合物本身温度的升高。
④聚合物材料的拉伸-回缩应力应变曲线 拉伸时：外力对聚合物作功，用来改变体系内分子链的构 象，并提供分子间及链段内摩擦所消耗的能量。 回缩时：体系对外作功，一方面被伸展的分子链重新卷曲 起来，回复原态，另一方面，分子链在运动时还需克服分 子间和链段间的摩擦阻力。 （4）粘弹性的力学模型 ①理想弹簧②理想粘壶③Maxwell模型（串联） ④Voigt模型（并联）⑤四参数模型（ 4）
e （ 5）
e （ 6）
（5）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。 （6）材料弱而脆：一般为低聚物，不能直接用做材料。 强与弱从断裂强度sb比较；硬与软从模量E（s/e）比较； 脆与韧则可从断裂伸长率比较。
11.4.2 晶态聚合物的拉伸 晶态聚合物在单向拉伸时典型的应力-应变曲线如下图：
理想弹性固体：具有一定形状，在外力作用下，发生形 变到一新的平衡形状，去除外力时，它又完全回复到起始形 状，它的力学行为可用虎克定律描述： σ=E×ε 理想粘性液体：没有一定形状，在外力作用下发生不可 逆的流动，形变随时间的增加而增加，外力所作的功以热的 形式散失掉，它的力学行为可用牛顿定律加以描述： σ=η×dε/dt
（3）滞后现象（高分子材料在交变应力作用下，形变落后 于应力的现象） ①动态力学性能：高分子材料在交变应力下的力学行为 σ （t）=σ0Sinwt ε（t）=ε0Sin（wt－δ） ②影响滞后的因素 （A）柔性分子链比刚性分子链滞后严重
（B）外力频率过高，滞后现象不明显（链段运动跟不上）
外力频率过低，滞后现象不明显（链段运动完全跟不上）
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（drawing)： 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（e）。
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
时温等效原理
11.4 聚合物的力学强度
11.4.1 聚合物的拉伸及应力应变曲线 玻璃态聚合物被拉伸时，典型 的应力-应变曲线如右图：在曲 线上有一个应力出现极大值的 转折点B，叫屈服点，对应的 应力称屈服应力（ y ）；
b 应 y 力 B x
在屈服点之前，应力与应变基本成正比（虎克弹性），经 过屈服点后，即使应力不再增大，但应变仍保持一定的伸长； 当材料继续被拉伸时，将发生断裂，材料发生断裂时的应力称 断裂应力（ b ），相应的应变称为断裂伸长率（eb）。
在规定试验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上沿轴向 施加拉伸负荷，直至试样被拉断。
P
宽度b
厚度d
P
试样断裂前所受的最大负荷P与试样横截面积之比为抗张 强度t： t = P / b • d
（ii）抗弯强度 也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度的测定是在规定的试 验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。 设试验过程中最大的负荷为P，则抗弯强度f为： f = 1.5Pl0 / bd2
强迫高弹形变产生的原因 原因在于在外力的作用下，玻璃态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，形变也就得不到恢复原，只有当温度升至Tg附近， 使链段运动解冻，形变才能复原。这种大形变与高弹态的 高弹形变在本质上是相同的，都是由链段运动所引起。 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：
e1
t1
t2
t
普弹形变示意图
（ii）高弹形变[e2=σ/E2（-e -t/τ）]：
聚合物受力时，高分子链通过链段运动产生的形变， 形变量比普弹形变大得多，但不是瞬间完成，形变与时间 相关。当外力除去后，高弹形变逐渐回复。如下图：
e2
t1
t2
t
高弹形变示意图
（iii）永久（缓弹）形变[e3=（σ/η）×t]：
P
冲击头，以一定速度对试样 实施冲击
d b
l0/2 l0/2
冲击强度测定试验示意图
11.2 聚合物的高弹性
11.2.1 聚合物高弹性的特征
高弹态聚合物最重要的力学性能是其高弹性。
1、高弹性的特点
（Ⅰ）弹性模量低，形变量很大； 宏观上拉伸时发生的高弹形变就是微观上高分子线团沿外力作用伸展的结果。 （Ⅱ）模量随温度升高而增大 ； 温度升高，链段热运动加剧，对抗外力的回缩力增大，形变相对减小所致。 （Ⅲ）热弹性效应； 拉伸时放出热量，回缩时吸收热量。
A0
材料经压缩以后，体积由V0缩小为V，则压缩应变： V = （V0 - V）/ V0 = DV / V0