材料现代测试方法

§1-1 描述力学性能的基本物理量
一、应力与应变
应变——当材料受到外力作用而它所处的环境又使 其不能产生惯性移动时，它的几何形状和 尺寸就会发生变化，这种变化就称为“应 变”。
应力——当材料产生宏观变形时，材料内部分子间 或者原子间原来的引力平衡受到了破坏， 因而会产生一种附加的内力来抵抗外力、 恢复平衡。当到达新的平衡时附加内力和 外力大小相等，方向相反。单位面积上的 附加内力称为“应力”。
研究聚合物的分子运动——
通过热力学性能的变化研究分子运动——示差扫 描量热仪；
通过力学性质变化研究分子运动——静态与动态 热机械分析仪；
通过电磁性质变化研究分子运动——介电松弛与 核磁共振；
通过体积变化研究分子运动——热膨胀计
本门课程教学内容
第一章 聚合物材料力学性能测定 第二章 聚合物分子量与分子量分布测定 第三章 聚合物流变性能测定 第四章 波谱分析在聚合物材料中的应用 第五章 热分析在聚合物材料中的应用 第六章 显微分析技术在聚合物中的应用
A0 F
F
剪切应变： γs = S/d = tgθ —— 剪切角的正切剪
切应力：
τs = F/A。
剪切应力的单位也是N/m2（ 帕斯卡）。
3. 均匀压缩 —— 材料受到均匀围压力的作用
材料的压缩应力就是所受到的围压力P；受力 后材料的体积发生变化，由原来的Vo减小为Vo-ΔV， 压缩应变为：
Δ=ΔV/ Vo
聚合物结构的分析表征——
链结构——红外光谱、紫外光谱、荧光光 谱、拉曼光谱、电子能谱、核磁共振、顺 磁共振、X射线衍射（广角）、电子衍射、 中子散射……；
聚集态结构——X射线衍射（小角）、固 体小角激光光散射、电子衍射、电子显微 镜、光学显微镜、原子力显微镜、热分 析……。
聚合物性能的测定——
4、弯曲——对材料施加一弯曲力矩，使材料发生弯 曲。主要有两种形式：
F
一点弯曲
三点弯曲
5、扭转——对材料施加扭转力矩
F
F
二、弹性模量——在弹性形变范围内单位应变所
需应力的大小。是材料刚性的一种表征，代/Ao）/（ΔL/Lo）
简单剪切时： 剪切模量 G =τs/γs = （F/Ao）/ tgθ
1、简单拉伸 ——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
拉伸应变：
ε=L-Lo/Lo=ΔL/Lo 也称为伸长率，无量纲。
拉伸应力：
σ= F/Ao Ao是材料的起始截面积； 应力的单位是 N/m2，称 为“帕斯卡”。
F
A0
A
l0 l
Dl
F
简单拉伸示意图
2. 简单剪切 ——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。
屈服点——Y σY：屈服应力 εY：屈服伸长率
断裂点——B σB：断裂应力 εB：断裂伸长率
§1-2 聚合物拉伸试验
拉伸试验测定的力学性能 拉伸强度、断裂强度、屈服强度、定伸强度、断 裂伸长率、应力—应变曲线、弹性模量。
拉伸试验所适用的聚合物材料 热塑性塑料、热固性塑料、橡胶材料
拉伸试验对试样的要求 4类哑铃状试样
σt = P/bd 由于在拉伸过程中试样的宽度和厚度不断变化， 所以一般采用试样起始的尺寸来计算拉伸强度。
2. 弯曲强度——材料抵抗弯曲破坏的能力 在规定的试验条件下对标准试样施加一个弯曲力
矩，直到试样断裂：
测定试验过程中的最大载荷P，并按照下式计算弯曲强度：
f
P lo / 2 1.5 Plo
力学性能——拉伸、弯曲、剪切、压缩试验、冲 击试验、蠕变曲线、应力松弛曲线、高低频疲劳 试验……；
流变性能——旋转流变仪、毛细管流变仪、熔体 流动速率测定仪…… ；
热性能——导热系数测定仪、示差扫描量热仪、 膨胀系数测定仪、热变形温度测定仪…… ；
电性能——表面电阻和体积电阻、介电常数、介 电损耗角正切、高压电击穿试验…… ；
聚合物材料的合成、加工与应用——
聚合物结构的表征——了解聚合物的微观结构、 亚微观结构和宏观结构。
聚合物性能的测定——评价和应用新材料、控制 产品的质量、研究聚合物结构与性能的关系。
聚合物分子运动的测定——分子运动方式不同会 导致聚合物所处的力学状态发生改变——转变。 每种聚合物都有其特定的转变。研究聚合物的松 弛与转变可以帮助人们了解聚合物的结构，建立 结构与性能之间的关系
均匀压缩时： 体积模量 B = P/Δ = PVo/ΔV 由于应变是无量纲的物理量，所以模量的单位
与应力的单位相同，都是N/m2（帕斯卡）。
三、材料强度——材料抵抗外力破坏的能力
拉伸强度——材料抵抗拉伸破坏的能力，也称抗张 强度。
在规定的的温度、湿度和拉伸速度下，对标准 尺寸的哑铃状试样施加拉伸载荷。当材料被拉断时， 试样所承受的最大载荷P与试样的横截面积（宽度 与厚度的乘积）之比即为材料的拉伸强度：
课程说明
教材与参考书
《聚合物研究方法》——张美珍主编，轻工出版社 《高分子物理》——何曼君主编，复旦大学出版社
▪ 教学方法
以课堂讲授为主，结合观摩仪器使用
▪ 成绩评定
作业及平时表现30 %； 期末考试 70 %。
第一章 聚合物力学性能测定
§1-1描述力学性能的基本物理量 §1-2 聚合物拉伸试验 §1-3 聚合物弯曲试验 §1-4 聚合物冲击试验
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3. 冲击强度——材料抵抗冲击载荷破坏的能力，反 映材料的韧性指标。通常定义为试样在冲击载荷 作用下破坏时单位面积吸收的能量 。
冲击强度的试验方法有许多种，包括摆锤式 冲击试验、落球式冲击试验、高速拉伸试验等。 设W为试样断裂所消耗的功，可以有两种表示材 料抵抗冲击载荷破坏的强度：
冲击韧性：
I
W bd
(J / m2)
4、硬度——表征材料表面抵抗外力变形的能力
由一种较硬的材料做为压头，在一定的试验 条件下将压头压入试样中，以压痕的深度计算材 料的硬度。
塑料球压痕硬度
布氏硬度
洛氏硬度
四、应力—应变曲线
对聚合物进行拉伸试验，以试样的应力值对试 样的形变值作图所得到的曲线。通常以应力为纵坐 标、应变为横坐标。