高分子材料力学性能详解演示文稿
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高分子材料的结构及其性能PPT(36张)
态。 此时，只有比链段更小的结构单元如链节、侧基等能够运动。 受外力作用时，只能使主链的键长和键角有微小的改变，外力去除后形变能迅速回复，这 是一种普弹性状态。
B、高弹性 随着温度的升高，当T＞Tg 时，分子的动能增加，使链段的自由旋转成为可能，此时，试
样的形变明显增加，在这一区域中，试样变成柔软的弹性体，称为高弹态。 高弹态时，弹性模量显著降低，外力去除后，变形量可以回复，有明显的时间依赖性。由
如图16-7，在间同立构高聚物中， 原子或原子团会交替分布在主链两侧； 在全同立构高聚物中，原子或原子团 则全部排列在主链同一侧；而在无规立构高聚物中，主链两侧原子分布是随机的。
这种化学成分相同，但由于不对称取代基沿分子主链分布不同的现象，就叫做 高分子的立体异构现象。
2、大分子链的构象及柔性 高聚物结构单元是通过共价键重复连接形成线型大分子，共价键的特点是键能
2、单体 高分子化合物是由低分子化合物通过聚合反应获得。
组成高分子化合物的低分子 化合物称作单体。所以我们经 常说，高分子化合物是由单体 合成的，单体是高分子化合物 的合成原料。如图16-2，聚乙 烯是由乙烯（CH2＝CH2）单 体聚合而成的。 高分子化合物的相对分子质 量很大，主要呈长链形，因此 常称作大分子链或者分子链。 大分子链极长，可达几百纳米以上，而截面一般小于1nm。
物，简称高聚物材料，是以高分子化合物为主要组分的有机 材料，可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料两大类。 天然高分子材料包括如蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡 胶、淀粉和蛋白质等。 人工合成高分子材料包括如塑料、合成橡胶、胶粘剂和涂料 等。工程上使用的主要是人工合成的高分子材料。
一、高聚物的基本概念 1、高聚物和低聚物 高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其相对分子质量在5000
B、高弹性 随着温度的升高，当T＞Tg 时，分子的动能增加，使链段的自由旋转成为可能，此时，试
样的形变明显增加，在这一区域中，试样变成柔软的弹性体，称为高弹态。 高弹态时，弹性模量显著降低，外力去除后，变形量可以回复，有明显的时间依赖性。由
如图16-7，在间同立构高聚物中， 原子或原子团会交替分布在主链两侧； 在全同立构高聚物中，原子或原子团 则全部排列在主链同一侧；而在无规立构高聚物中，主链两侧原子分布是随机的。
这种化学成分相同，但由于不对称取代基沿分子主链分布不同的现象，就叫做 高分子的立体异构现象。
2、大分子链的构象及柔性 高聚物结构单元是通过共价键重复连接形成线型大分子，共价键的特点是键能
2、单体 高分子化合物是由低分子化合物通过聚合反应获得。
组成高分子化合物的低分子 化合物称作单体。所以我们经 常说，高分子化合物是由单体 合成的，单体是高分子化合物 的合成原料。如图16-2，聚乙 烯是由乙烯（CH2＝CH2）单 体聚合而成的。 高分子化合物的相对分子质 量很大，主要呈长链形，因此 常称作大分子链或者分子链。 大分子链极长，可达几百纳米以上，而截面一般小于1nm。
物，简称高聚物材料，是以高分子化合物为主要组分的有机 材料，可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料两大类。 天然高分子材料包括如蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡 胶、淀粉和蛋白质等。 人工合成高分子材料包括如塑料、合成橡胶、胶粘剂和涂料 等。工程上使用的主要是人工合成的高分子材料。
一、高聚物的基本概念 1、高聚物和低聚物 高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其相对分子质量在5000
聚合物(高分子材料)的力学性能
E A A
B point:
Breaking point 断裂点
A 弹性极限应变 A弹性极限应力 B 断裂伸长率 B断裂强度 Y 屈服应力
从分子运动机理解释形变过程
你能解 释吗？
弹性形变 断裂
屈服
应变硬化
应变软化 冷拉
12
10
1psi
8
= 6890Pa
6
, 1000 psi
理论值
分子间滑脱
5000MPa
分子间扯离
氢键 500MPa 范德华力 100MPa
在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度在几 千MPa，而实际只有几十Mpa 。WHY？
PA, 60 MPa
e.g.
PPO, 70 MPa
exp eriment
(1 100
~
1 1000
)
theory
相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为光滑 粗糙 断裂伸长率较 小 大
脆性断裂和韧性断裂表面
PS试样脆性断裂表面的电镜照片
增韧改性PVC韧性断裂表面的电镜照片
11.3.2 材料的断裂方式分析
聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子 分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。
化学键拉断
15000MPa
第十一章 聚合物的力学性能
主要学习内容
高分子材料的 拉伸应力-应变特性
应力－应变曲线及其类型 影响拉伸行为的外部因素 强迫高弹形变与“冷拉伸”
高分子材料的 断裂和强度
宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂 断裂过程，断裂的分子理论 高分子材料的强度
高分子材料的增强改性
高分子材料的 抗冲击强度和增韧改性
高分子物理高分子的力学性能PPT课件
第28页/共72页
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
第29页/共72页
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
② 本质差别 a. 玻璃态高聚物只发生分子链的取向，不发生相变 b. 结晶态高聚物发生结晶的破坏，取向，再结晶。
第26页/共72页
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（3）变为细颈的试样重新被均匀拉伸，直到出现断裂 。
第27页/共72页
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。
第17页/共72页
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。
第18页/共72页
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
不易发生相对滑移。随着交联度的增加，往往不易发 生大的形变，强度增大。例如：PE交联后，拉伸强度 可提高一倍，冲击强度可提高3-4倍。
第40页/共72页
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（5）分子量 分子量低时，拉伸强度和冲击强度都低，随着分
子量的增加，二者都会提高。但当分子量超过一定的 数值后，拉伸强度的变化就不大了，而冲击强度则继 续增大。
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
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7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
② 本质差别 a. 玻璃态高聚物只发生分子链的取向，不发生相变 b. 结晶态高聚物发生结晶的破坏，取向，再结晶。
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7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（3）变为细颈的试样重新被均匀拉伸，直到出现断裂 。
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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。
第17页/共72页
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。
第18页/共72页
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
不易发生相对滑移。随着交联度的增加，往往不易发 生大的形变，强度增大。例如：PE交联后，拉伸强度 可提高一倍，冲击强度可提高3-4倍。
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7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（5）分子量 分子量低时，拉伸强度和冲击强度都低，随着分
子量的增加，二者都会提高。但当分子量超过一定的 数值后，拉伸强度的变化就不大了，而冲击强度则继 续增大。
高分子材料(力学性能) ppt课件
三、粘弹性
§5.1 力学性能
三、粘弹性
§5.1 力学性能
2、动态粘弹性 （滞后）
• 滞后：一定温度下，受交变的应力，形变随时
间的变化跟不上力随时间的变化
应力周期性变化：σ＝σ 0 Sin ω t 应变：ε ＝ε 0 Sin（ω t ＋δ ）
落后一相位角
结果：产生滞后圈－－能耗
（机械能（弹性能）－－热能） －－－－力学损耗
如何§解5.决1 ？力学性能
1、特征
➢涂料涂装时流挂问题如何 解决？
1) 粘度大；分子量越大，粘度越大；分布越宽，粘度越大；
2) 流动机理：分子重心相对位移，是由链段的相继跃迁实 现的
3) 伴有高弹形变－－－具有粘弹性
现象：出口膨大、爬杆效应、融体破裂
一、高聚物的流动性 ？？？
§5.1 力学性能
4）是一假塑性流体：
运动单元高度取向（m 不为零）
1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）
C 断裂:
脆性断裂：没有屈服，断裂面光滑；
§5.1 力学性能
四 屈服、强度与断裂
韧性断裂：出现屈服后的断裂，断裂面粗糙。
T < Tb 时： σB <σY －－－脆性断裂
1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）
2) 结晶高聚物的应力~应变曲线
1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物） §5.1 力学性能
四 屈服、强度与断裂
注意: • 使用时υ趋于很小－－－长期强度，其远远小于所测值 ，
例：PVC: σB(1000h）＝1/2σB （测） • Tb、Tg测定时，是在一定时间尺度下，
（ υ比较小，时间长） 实际受力时（特别是在冲击力时）往往υ很高， 例：PVC 的Tb= - 50度，T使> - 30 ~ -15度
高分子材料的结构、物理状态及性能PPT(30张)
高分子化合物由低分子化合物通过聚合反应获 得。组成高分子化合物的低分子化合物称作单体。
二、高分子化合物的组成
简单的低分子化合物叫单体。由一种或几种简单的低分子 化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链。大分子链 中的重复结构单元叫链节。链节的重复次数即链节数叫聚合 度。例如：聚氯乙烯分子是由n个氯乙烯分子打开双键，彼此 连接起来形成的大分子链。可用下式表示：
(1) 热塑性塑料：加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却 后即成型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。这类塑料 有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚甲醛、聚碳 酸脂、聚苯醚、聚砜等。这类塑料加工成形简便，具有较高的 机械性能，但耐热性和刚性比较差。
(2) 热固性塑料: 初加热时软化，可塑造成形，但固化后 再加热将不再软化,也不溶于溶剂。这类塑料有酚醛、环氧、氨 基、不饱和聚酯、呋喃和聚硅醚树脂等。它们具有耐热性高， 受压不易变形等优点，但机械性能不好。
不同键接方式对性能 影响很大，头尾键接 强度最高。
三、大分子链的形态
⑴伸直链（又称线型链） 由许多链节组成的长链，通常 是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好， 硬度低，是热塑性材料的典型结构。
⑵带支链 支化型分子链，在主链上带有支链。这类结构 高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。
一、高聚物的三态
线型非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状态： 玻璃态、高弹态和粘流态。在恒定应力下的变形-温度பைடு நூலகம் 线如图所示。Tb为脆化温度，Tg为玻璃化温度，Tf 为粘流 温度，Td为化学分解温度。
玻璃化温度Tg是高聚 物保持玻璃态的最高温度， 可认为是大分子链段开始 运动的最低温度。
一、高聚物的三态
（6）氯纶 难燃、保暖、耐晒、耐磨、弹性好，但是染色性 差，热收缩大，限制了它的应用。
二、高分子化合物的组成
简单的低分子化合物叫单体。由一种或几种简单的低分子 化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链。大分子链 中的重复结构单元叫链节。链节的重复次数即链节数叫聚合 度。例如：聚氯乙烯分子是由n个氯乙烯分子打开双键，彼此 连接起来形成的大分子链。可用下式表示：
(1) 热塑性塑料：加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却 后即成型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。这类塑料 有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚甲醛、聚碳 酸脂、聚苯醚、聚砜等。这类塑料加工成形简便，具有较高的 机械性能，但耐热性和刚性比较差。
(2) 热固性塑料: 初加热时软化，可塑造成形，但固化后 再加热将不再软化,也不溶于溶剂。这类塑料有酚醛、环氧、氨 基、不饱和聚酯、呋喃和聚硅醚树脂等。它们具有耐热性高， 受压不易变形等优点，但机械性能不好。
不同键接方式对性能 影响很大，头尾键接 强度最高。
三、大分子链的形态
⑴伸直链（又称线型链） 由许多链节组成的长链，通常 是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好， 硬度低，是热塑性材料的典型结构。
⑵带支链 支化型分子链，在主链上带有支链。这类结构 高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。
一、高聚物的三态
线型非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状态： 玻璃态、高弹态和粘流态。在恒定应力下的变形-温度பைடு நூலகம் 线如图所示。Tb为脆化温度，Tg为玻璃化温度，Tf 为粘流 温度，Td为化学分解温度。
玻璃化温度Tg是高聚 物保持玻璃态的最高温度， 可认为是大分子链段开始 运动的最低温度。
一、高聚物的三态
（6）氯纶 难燃、保暖、耐晒、耐磨、弹性好，但是染色性 差，热收缩大，限制了它的应用。
高分子物理讲义第三章 高聚物的力学性能PPT课件
9材料缺陷强度降低10增塑剂强度降低33影响聚合物强度的外因影响聚合物强度的外因低温高应变速率强度提高脆性增大低温高应变速率强度提高脆性增大双向土工格栅34聚合物增强途径聚合物增强途径填料填料粉状填料木粉碳黑碳酸镁氧化锌轻质二氧化硅粉状填料木粉碳黑碳酸镁氧化锌轻质二氧化硅纤维状填料天然纤维玻璃纤维碳纤维石墨纤维硼纤维单晶纤维纤维状填料天然纤维玻璃纤维碳纤维石墨纤维硼纤维单晶纤维35聚合物增强途径聚合物增强途径共混液晶热致性主链液晶聚合物与热塑性聚合微纤增强原位在共混过程中形成类似于原位聚合复合增强共混液晶热致性主链液晶聚合物与热塑性聚合微纤增强原位在共混过程中形成类似于原位聚合复合增强结晶性非晶性聚合物共混体系36聚合物增韧聚合物增韧冲击强度在冲击载荷的作用下折断或折裂单位截面积所吸收的能量
23
聚合物的断裂
屈服应力——随温度增加而降 低，随应变速率增加而增加
脆韧转变——随应变速率增 加而移向高温，即：在低应变 速率时为韧性的材料，在高应 变速率时为脆性材料。 尖锐的缺口使聚合物的断裂从
韧性变为脆性
24
聚合物的强度
强度——材料抵抗外力破坏的能力
拉伸强度——在规定的温度、湿度、试验速率下，
σ
σ真
α
-1
0
σy σ真
13
Considere 作图法
在Y点， 则，
dσ/ d ε=0 σ真= σ（1+ ε）
dσ真/ d ε= σ真/ （1+ ε）= σ真/λ
屈服点为真应力-应变曲线上由应变轴ε=-1处向曲线作 切线的切点。
14
Considere 作图法
从应变轴ε=-1处向曲线作切线的切点应当有第二个，即 极小值。 当dσ真/ d ε＞ σ真/ （1+ ε）= σ真/λ时，不能形成细颈。
23
聚合物的断裂
屈服应力——随温度增加而降 低，随应变速率增加而增加
脆韧转变——随应变速率增 加而移向高温，即：在低应变 速率时为韧性的材料，在高应 变速率时为脆性材料。 尖锐的缺口使聚合物的断裂从
韧性变为脆性
24
聚合物的强度
强度——材料抵抗外力破坏的能力
拉伸强度——在规定的温度、湿度、试验速率下，
σ
σ真
α
-1
0
σy σ真
13
Considere 作图法
在Y点， 则，
dσ/ d ε=0 σ真= σ（1+ ε）
dσ真/ d ε= σ真/ （1+ ε）= σ真/λ
屈服点为真应力-应变曲线上由应变轴ε=-1处向曲线作 切线的切点。
14
Considere 作图法
从应变轴ε=-1处向曲线作切线的切点应当有第二个，即 极小值。 当dσ真/ d ε＞ σ真/ （1+ ε）= σ真/λ时，不能形成细颈。
高分子材料的力学性能
分子量是对高分子材料力学 性能（包括强度、弹性、韧性） 起决定性作用的结构参数。 不同聚合物，要求的最小聚 合度不同。 超过最小聚合度，随分子量 增大，材料强度逐步增大。但 当分子量相当大，材料强度主 要取决于化学键能的大小，不 再依赖分子量而变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。 缺陷形状不同，应力集中系数也不同，锐口缺陷的 应力集中系数比钝口的大，也更易开始发生破坏。 制品设计时尽量避免有尖锐的转角，将制品的转弯 处做成圆弧形，制品成型时进行退火处理，保证制品厚 度尽可能均匀等措施均能确保制品的强度。
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。
高分子材料的力学性能
5、填料：
在高聚物中加入固体填料可得到多相复合材料
根据其在复合材料中的使用目的分类： 惰性填料：起填充稀释以降低制品的成本的作用， 材料的强度随之降低 固体填料 活性填料：有效提高材料的强度
高聚物的断裂和力学强度详解演示文稿
第18页，共82页。
2、晶态聚合物的“冷拉伸”
结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种形变称“冷拉伸”。结晶聚合物具有与非晶 聚合物相似的拉伸应力－应变曲线。
图中当环境温度低于
熔点时（ T < Tm ），虽
然晶区尚未熔融，材料 也发生了很大拉伸变形 。见图中曲线3、4、5。
这种现象称“冷拉伸 ”。
结晶聚合物在不同温度下的应力-应变曲线
第7页，共82页。
曲线的类型
由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力－应变曲线 具有多种形状。归纳起来，可分为五类 。
（1）硬而脆型 （2）硬而强型 （3）硬而韧型 （4）软而韧型 （5）软而弱型
高分子材料应力-应变曲线的类型
第8页，共82页。
说明
（1）硬而脆型 此类材料弹性模量高（OA段斜率大）而断裂 伸长率很小。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断 裂强度较高。在室温或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲 酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。
发生脆性断裂时，断裂表面较光滑或略有粗糙，断裂面垂直 于主拉伸方向，试样断裂后，残余形变很小。
韧性断裂时，断裂面与主拉伸方向多成45度角，断裂表面粗 糙，有明显的屈服（塑性变形、流动等）痕迹，形变不能立即 恢复。
第23页，共82页。
脆性断裂和韧性断裂表面
PS试样脆性断裂表面的电镜照片
增韧改性PVC韧性断裂表面的电镜照 片
第26页，共82页。
本质上，法向应力 n 与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉
伸能力极限值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材
料在 n 作用下发生破坏时，往往伴随主链的断裂。
于分切子向间应内力聚力t 。与材材料料在的抗 剪t 切作能用力下相发关生，屈极服限时值，主往要往取发决生
高分子材料的性能特点.pptx
2.1 高分子材料的力学状态
气态 物质的力学三态 液态
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。
第2页/共35页
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
第3页/共35页
2.1 高分子材料的力学状态
第34页/共35页
感谢您的观看。
第35页/共35页
弯曲强度 冲击强度
第13页/共35页
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。
第14页/共35页
2.2 高分子材料的力学性能
作业：
一、名词术语解释 1、结晶度 2、玻璃化转变温度（Tg） 3、粘流温度（Tf） 4、应变 5、蠕变
二、简答 1、高弹性为什么又称为熵弹性？ 2、简要阐述聚合物的粘弹性。 3、描述高分子材料的软硬、强弱和韧脆的指标分别是什么？ 4、请说明非晶态聚合物力学三态的运动单元。
三、论述题 1、画出塑料材料的应力应变曲线，并对其进行描述？ 2、高分子材料的使用温度同玻璃化转变温度有什么关系？
（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。
（3）常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料。
第5页/共35页
高弹态
Tg ～Tf
（1）分子运动机制：链段“解冻”，可以运动
气态 物质的力学三态 液态
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。
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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
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2.1 高分子材料的力学状态
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感谢您的观看。
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弯曲强度 冲击强度
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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。
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2.2 高分子材料的力学性能
作业：
一、名词术语解释 1、结晶度 2、玻璃化转变温度（Tg） 3、粘流温度（Tf） 4、应变 5、蠕变
二、简答 1、高弹性为什么又称为熵弹性？ 2、简要阐述聚合物的粘弹性。 3、描述高分子材料的软硬、强弱和韧脆的指标分别是什么？ 4、请说明非晶态聚合物力学三态的运动单元。
三、论述题 1、画出塑料材料的应力应变曲线，并对其进行描述？ 2、高分子材料的使用温度同玻璃化转变温度有什么关系？
（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。
（3）常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料。
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高弹态
Tg ～Tf
（1）分子运动机制：链段“解冻”，可以运动
高分子材料详解演示文稿
第十七页，共80页。
(3) 交联聚乙烯
交联聚乙烯是通过化学(硅烷交联法或过氧化物交 联法)或辐射的方法使聚乙烯分子发生交联，形成网状 结构的热固性塑料。
第十八页，共80页。
(4) 茂金属聚乙烯
茂金属聚乙烯以茂金属为催化剂，甲基铝氧 烷为助催化剂合成，其分子量高且分布窄、支链短 而少、密度低、立构规整性高、力学性能好，但
第三十三页，共80页。
2.3 聚氯乙烯
2.3.1 概述
聚氯乙烯简称PVC，产量仅次于PE。
PVC主要为悬浮聚合，其次为乳液聚合。 疏松型PVC树脂：呈棉花团状，吸收增塑剂快，塑 化温度低，熔体均匀性好，热稳定性高； 紧密型PVC树脂：呈乒乓球状，吸收增塑剂差。
糊状PVC树脂：常为乳液晶度下降，
所以PP的熔融温度、硬度、刚度、屈服强度等下降。
PP球晶分为α(单斜)、β(六方)、γ(三斜)和拟六方
4种晶型，其中α-PP力学性能好，β-PP的冲击 性能好。
第二十七页，共80页。
2.2.3 PP的性能
PP的密度极低，为白色蜡 状物固体。
(1) 力学性能 PP的具有较高的强度、刚度、硬度，但
(2) 增塑剂
PVC增塑剂必须在150℃下与PVC混合，才 能扩散进入PVC中去。
PVC增塑剂包括邻苯二甲酸二辛酯和邻苯二 甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二异癸酯等。
第四十六页，共80页。
(3) 润滑剂 为了改善PVC的加工流动性，通常加入硬脂酸 铅、硬脂酸钙或蜡等润滑剂。 润滑剂按作用可分为： 内润滑剂：与聚合物相容性较好，可降低熔融黏度， 防止由于摩擦热过大而引起树脂分解；
外润滑剂：可在加工机械的表面与聚合物熔体的 界面处形成润滑膜的界面层，起到避免相互黏着 和减少摩擦的作用。
(3) 交联聚乙烯
交联聚乙烯是通过化学(硅烷交联法或过氧化物交 联法)或辐射的方法使聚乙烯分子发生交联，形成网状 结构的热固性塑料。
第十八页，共80页。
(4) 茂金属聚乙烯
茂金属聚乙烯以茂金属为催化剂，甲基铝氧 烷为助催化剂合成，其分子量高且分布窄、支链短 而少、密度低、立构规整性高、力学性能好，但
第三十三页，共80页。
2.3 聚氯乙烯
2.3.1 概述
聚氯乙烯简称PVC，产量仅次于PE。
PVC主要为悬浮聚合，其次为乳液聚合。 疏松型PVC树脂：呈棉花团状，吸收增塑剂快，塑 化温度低，熔体均匀性好，热稳定性高； 紧密型PVC树脂：呈乒乓球状，吸收增塑剂差。
糊状PVC树脂：常为乳液晶度下降，
所以PP的熔融温度、硬度、刚度、屈服强度等下降。
PP球晶分为α(单斜)、β(六方)、γ(三斜)和拟六方
4种晶型，其中α-PP力学性能好，β-PP的冲击 性能好。
第二十七页，共80页。
2.2.3 PP的性能
PP的密度极低，为白色蜡 状物固体。
(1) 力学性能 PP的具有较高的强度、刚度、硬度，但
(2) 增塑剂
PVC增塑剂必须在150℃下与PVC混合，才 能扩散进入PVC中去。
PVC增塑剂包括邻苯二甲酸二辛酯和邻苯二 甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二异癸酯等。
第四十六页，共80页。
(3) 润滑剂 为了改善PVC的加工流动性，通常加入硬脂酸 铅、硬脂酸钙或蜡等润滑剂。 润滑剂按作用可分为： 内润滑剂：与聚合物相容性较好，可降低熔融黏度， 防止由于摩擦热过大而引起树脂分解；
外润滑剂：可在加工机械的表面与聚合物熔体的 界面处形成润滑膜的界面层，起到避免相互黏着 和减少摩擦的作用。
高分子材料——力学性能-(课堂PPT)
Stress
Elongation at yield
Elongation at break
Yield stress
Strain
Ultimate strength
五个重要性质： (1)杨氏模量 (2)屈服强度 (3)抗张强度 (4)断裂伸长率 (5)断裂韧性
18
应力-应变过程的不同阶段
I II III IV
• 若形变时体积不发生变化则有
Aolo Al
• 令:伸长比 • 则有:
A Aolo Ao l 1
l lo l 1
lo
lo
/ F F1 1
A
Ao
31
2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据
• 按照定义:屈服点为
d 0 d
d
/ 1
0
d
• 则有:
d 1 2 / 1 1 d / 0
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 玻璃增强聚乙烯 玻璃增强聚丙烯 玻璃增强聚苯乙烯 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 1.1 1.05～1.24 1.2～1.3 1.45 1.23～1.36
泊松比 0.25 0.16~0.34 0.33 0.38 0.39 0.49~0.50
7
常用的几种力学强度
• 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/bd) MPa
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成型过程中的指导：
一、高聚物的流动性（流变性基础简介）➢如：成型时粘度过大原因？
如何§解5.决1 ？力学性能
1、特征
➢涂料涂装时流挂问题如何 解决？
1) 粘度大；分子量越大，粘度越大；分布越宽，粘度越大；
2) 流动机理：分子重心相对位移，是由链段的相继跃迁实 现的
3) 伴有高弹形变－－－具有粘弹性
二、橡胶的高弹性
•橡胶具有高弹性的结构要求？ •指导我们根据高弹性的使用要求如 何来选择材§料5。.1 力学性能
－－链段运动的体现，高分子特有
1、高弹性的特点：
• E（模量）小，为钢材的1/105
• 泊松比小 ＝ 0.5
ΔV= 0
• 温度升高，E增大；（与金属反之）
• 形变时有热效应（发展时，升温（放热））
所以 ΔH > 0， 放热）
3、σ～ε的关系 二、橡胶的高弹性
3. σ～λ关系
§5.1 力学性能
特征3： E与T成正比
二、橡胶的高弹性
§5.1 力学性能
4、橡胶高弹性的结构要求*
1） 柔性好，柔性好的不一定具有高弹性 2）不结晶 －－－－无束缚 3) 分子量高－－－－提供交联度，强度高 4）交联－－－－－－无永久性形变
一、高聚物的流动性
§5.1 力学性能
一、高聚物的流动性
§5.1 力学性能
B、幂律方程：τ ＝K γ n
n: 非牛顿指数；
n=1 : 牛顿流体（曲线2） n<1：假塑性流体 （曲线1） n>1: 胀流性流体 （曲线4）
全剪切应力下的流变曲线
曲线3：宾汉流体
D、触变性流体：t延长，粘度迅速下降； （例：重防腐涂料中的应用）
高分子材料力学性能详解 演示文稿
优选高分子材料力学性能
§5.1 力学性能
三种力学状态： 粘流态：
（流动性）――融体（或溶液）――流变性基础 高弹态：
（高弹性）――橡胶的力学性能
玻璃态（结晶态） (硬、普弹形变)――塑料――强度、断裂
：
粘性 弹性
▪ 高分子材料流变特性？用分子运动原理分析。 ▪ 流变性的测试分析方法？ ▪ 分析PP、PS成型加工条件对流动性的影响。
3）温度：----- τ
T增大， τ 减小， 分析 : 链段运动
？？？
（时温等效原理）
DDV(动态黏弹谱仪）
• 应用意义：指导力学（及其它物理）特性的分析及应用， 意义大 （例：)
震凝性流体：反之
一、高聚物的流动性
§5.1 力学性能
1、第一牛顿区 2、第二牛顿区
一、高聚物的流动性
§5.1 力学性能
2、与结构的关系 （η、 Tf 、非牛顿性 ）
解缠能力
1）分子量：
分子量越大，粘度越大， Tf 越高， 非牛顿性越大
因为：缠结
2）分布：
一般越宽：
低剪切下：粘度越大， 高剪切下：粘度越小 Tf 越低， 非牛顿性越大
三、粘弹性
§5.1 力学性能
三、粘弹性
§5.1 力学性能
2、动态粘弹性 （滞后）
• 滞后：一定温度下，受交变的应力，形变随时
间的变化跟不上力随时间的变化
应力周期性变化：σ＝σ 0 Sin ω t 应变：ε ＝ε 0 Sin（ω t ＋δ ）
落后一相位角
结果：产生滞后圈－－能耗
（机械能（弹性能）－－热能） －－－－力学损耗
粘度对温度的敏感性大
一、高聚物的流动性
分子量及 分布的综 合体现
3、表征
•
•
粘度： （ 测定：）原材料的
熔融指数：
重要指标！
在恒定的压力、温度下，单位时间内流过
特定毛细孔（1mm2 )聚合物的重量。
指导选材、成型工艺的设计
力学性 能
§5.1 力学性能
▪ 橡胶高弹性对结构的基本要求？ ▪ 橡胶力学性能特征？高弹性的本质？ ▪ 比较顺丁橡胶、乙丙橡胶的高弹性能？
力不变，调节结果：形 变增大
－－－－－蠕变
形变不变，调节结果: 内力减小，相对
的外力变小－－－应力松弛
3）应用：工程塑料的尺寸稳定性、 密封问题 等 例：
4）粘弹模型 ： 建立模型－－模拟曲线－－得到参数
理想粘壶＋理想弹簧
分子运 动
并联
串联
Kelvin 模型 描述蠕变
Maxwell模型 描述应力松弛
▪ 高分子材料的尺寸稳定性影响因素？
▪ 高分子材料粘弹性的表现及影响因素？
▪ 用分子运动理论、松弛理论分析高分子材料力学 损耗的影响因素？
实际中的尺寸稳定性问题、密封问题、
疲劳问题的分析、选材
三、粘弹性
高分子材料性能不同于其他材料，出现
－－－既具有弹性，又具有粘性 规律反§常5时.1 运力用学粘性弹能性来分析。
• 在一定条件下，高弹形变表现明显的松弛现象
－－－时间依赖性
二、橡胶的高弹性
§5.1 力学性能
2、高弹性的本质：
熵弹性 *
链段的取向与解取向，
是一松弛过程
热力学(一、二）定律得：
ΔV= 0
内能变化为 0
解释特征4: （形变发展： ΔS <0 ΔH = ΔU – T ΔS
ΔH = – T ΔS
所以：形变过程中，有热效应
力学损耗因子*： tan δ
--损耗模量素*：
τ 1）结构：分子柔性、分子间作用力等-----
2）时间： （1/ ω－－ t (观察）） ω小－－t长： 链段完全跟上 ω大－－t短 ：链段完全跟不上 硬 ，甚至脆
ω 适中～t：滞后明显 tan δ 有最大值
一、高聚物的流动性
链段活动能力，
§5.1 力学性能
长链的卷曲
2、与结构的关系 （η、 Tf 、非牛顿性 ）
缠结
3）柔性：
➢ 柔性越大，Tf 越低， 非牛顿性越大（粘度对剪切的敏感性大）
➢ 刚性越大：粘度对温度的敏感性越大
实际应用的指导意义：塑料成型生产、涂料
4）分子间作用力： 越大： Tf 越高，粘度越高，
现象：出口膨大、爬杆效应、融体破裂
一、高聚物的流动性 ？？？
§5.1 力学性能
4）是一假塑性流体：
随剪切速率（剪切应力的增加， 表观粘度下降的流体）
A、基本名词：剪切应力、剪切速率
牛顿流体：η=τ/γ; η是一恒定值
非牛顿流体：η随剪切应力（剪切速率）变。
η为表观粘度―――ηa
B、假塑性原因
大分子延剪切力方 向的取向，及带来 的解缠
明显的松弛过程－－时间依赖性
1、静态粘弹性：（非交变）
t～τ
1) 蠕变、应力松弛现象
• 蠕变：一定T、一定σ， • 应力松弛：一定T、一定ε ，
观察ε～t的变化
观察σ～t的变化
ε ＝ ε 瞬时弹性＋ ε 高弹＋ε 永久 (交联－曲线2）
三、粘弹性
§5.1 力学性能
2）原因：• 原因：链段运动，调节构象来适应外力