关于聚合物材料的力学性能

t＞tm晶體相熔化，聚合物全部由非晶區組成，轉化成為高彈性的橡膠態。
未取向的結晶聚合物，其變形過程複雜。受載時，結晶區先被破壞，隨後再重新組成新的微纖維束定向排列的結構(圖9—13)，其拉伸應力～應變曲線示於圖9—14。當結晶聚合物出現屈服(曲線最高點)後，原有的結構開始破壞，試樣上出現縮頸，並沿長度方向不斷擴展。
蠕變變形除不可回復的粘性變形外，還包含普彈性變形和高彈性變形。在外力去除後，普彈性變形迅速回復，而高彈性變形則緩慢地部分回復，與金屬蠕變的明顯區別。
2、蠕變模量與應力鬆弛模量
在恒定時間下的應力一應變曲線如圖9—16c，曲線的斜率稱為蠕變模量。應力鬆弛模量也與時間有關。
蠕變模量和應力鬆弛模量是表徵聚合物粘彈性的力學性能指標。
聚合物的小分子化合物稱為單體，組成聚合物長鏈的基本結構單元則稱為鏈節。
聚合物長鏈的重複鏈節數目，稱為聚合度。
天然的聚合物有木材、橡膠、棉花、絲、毛髮和角等。
人工合成聚合物有工程塑料、合成纖維、合成橡膠等
一、聚合物的基本結構
1、高分子鏈的構型（近程結構）
由化學鍵所固定的幾何形狀——指高分子鏈的化學組成、鍵接方式和立體構型等。
3wenku.baidu.com影響蠕變與應力鬆弛的因素
聚合物的抗蠕變能力對溫度很敏感，在某些情況下對濕度也敏感。溫度每變
化一度(K)或相對濕度每變化1％，某些聚合物的蠕變模量能改變4％。
溫度升高，應力鬆弛速度加快；反之，溫度降低，鬆弛速度減慢。
凡是能增加分子間作用力和鏈段運動阻力的結構因素，均能提高聚合物抗蠕變和應力鬆弛能力。如：主鏈剛性大；相對分子品質高；分子極性強，分子間作用力大；聚合物交聯等。
高彈性，其彈性變形量可達1000％，而其彈性模量E值卻只有O．1～1GPa，約為鋼的1／10。
鏈段的運動，引起分子構象的變化。
原捲曲的鏈沿拉力方向伸長，宏觀上表現為很大的彈性變形。去除外力後，接點及扭結的趨勢使聚合物鏈又回復至捲曲狀態，宏觀變形消失(回復過程需要一定時間)。
如果聚合物鏈的交聯接點過多，會使交聯點間的鏈段變短、降低鏈段的活動性(柔性)，使彈性下降以至消失，此時，彈性模量和硬度增加。
見圖9—1。(圖9—2)。
長支鏈、短支鏈；線型交聯分子鏈、三維交聯分子鏈。
由兩種以上結構單體聚合而成的聚合物稱為共聚物。
聚合物的結晶很難完全。
（共聚物的幾種形式如圖9—3。）
2、高分子鏈的構象（遠端結構）
一根巨分子長鏈在空間的排布形象，稱為巨分子鏈的構象。
無規則線團鏈、伸展鏈、折疊鏈、螺旋鏈等構象(圖9—5)。
3、聚合物聚集態結構
聚集態結構包括晶態結構、非晶態結構及取向。
晶區與非晶區共存。結晶度＜98％，微晶尺寸在100A左右。
非晶態結構的高分子鏈多呈無規則線團形態。
在外力作用下，聚合物的長鏈沿外力方向排列的形態稱為聚合物的取向。
4、高分子材料結構特徵歸納：
⑴聚合物為複合物（∵各個巨分子的分子量不一定相同）；
去除外力後，溫度在tg以下，變形可保留下來，可達300％～1000％。在tg溫度以上，這種變形可以消除。
在s點屈服後，應力一般會有所下降。試樣截面積減小，分子鏈沿外力方向取向。
塑性變形抗力增大，應力一應變曲線複又上升，直至斷裂。
（圖9—9為長鏈聚合物的變形方式）
二、聚合物在高彈態下的變形
tg＜t＜tf
除了與溫度、時間和應力等外部因素有關外，還與其微觀結構及分子量等因素有關。
由圖9—11可見，隨相對分子品質增大，tg升高，tg～tf溫度區間也增大。
§10-3結晶聚合物的變形
由於晶區內的鏈段無法運動，結晶度高的聚合物不存在高彈性，但具有較高的強度和硬度。
＜tg結晶態
tg＜t＜tm結晶態聚合物形成強韌(晶區與非晶區複合作用)的皮革態。
tb一脆化溫度tg一玻璃化溫度tf一粘流溫度
圖9—8為非晶態聚合物在不同溫度下的應力一應變曲線。
一、玻璃態下的變形
＜tb聚合物處於硬玻璃態，只有彈性變形階段，且伸長率很小。靠主鍵鍵長的微量伸縮和微小的鍵角變化來實現彈性變形。也為普彈性變形。
tb<t<tg聚合物處於軟玻璃態。
a’點以下為普彈性變形；a’s段變形是由於外力作用迫使鏈段運動所引起的，是為受迫高彈性變形。
聚四氟乙烯分子鏈雖然剛性大，但分子間作用力小，所以抗蠕變鬆弛能力弱。
三、聚合物在粘流態下的變形
＞tf分子鏈在外力作用下可進行整體相對滑動，呈粘性流動，導致不可逆永久變形。聚合物處於粘流狀態。
聚合物在粘流態下可具有部分彈性，其彈性變形符合虎克定律，呈線性粘彈
性行為。因為捲曲的分子鏈在受載時可暫時伸長，卸載後又重新捲曲
四、影響線型非晶態聚合物力學性能的因素
線型非晶態聚合物力學三狀態（玻璃態、高彈態、粘流態）及與之有關的線彈性、滯彈性、粘彈性和粘流性是描述聚合物力學性能的基礎。
如果在縮頸開始後不迅速發生斷裂，則隨應變增加，被破壞的晶體結構又重新組成方向性好、強度高的微纖維新結構。每個微纖維都有很高的強度，再加上微纖維間的聯繫分子進一步伸展，新結構聚合物的抗變形能力增大。由於應變硬化，應力一應變曲線再度上升，直至達到斷裂應力。具有取向的聚合物呈各向異性。
圖9—13結晶聚合物的變形模型示意圖
⑵聚合物有構型、構象的變化；
⑶分子之間可以有各種相互排列。
二、性能特點
(1)密度小；(2)高彈性；(3)彈性模量小（剛度差）；(4)粘彈性明顯。
§10-2線型非晶態聚合物的變形
線型非晶態聚合物是指結構上無交聯、聚集態無結晶的高分子材料。
隨溫度不同而變化，可處於玻璃態、高彈態和粘流態三種力學狀態(圖9—7)
§10-4聚合物的粘彈性
聚合物在外力作用下，彈性和粘性兩種變形機理同時存在的力學行為稱為粘彈性。
一、靜態粘彈性——蠕變與應力鬆弛
1、蠕變與應力鬆弛的特點
大多數聚合物的tg和tm稍高於室溫，所以在室溫下聚合物就已有明顯的蠕變與應力鬆弛行為。
是大分子在外力長時間作用下，逐漸發生構象改變或位移變化的結果。
第十章聚合物材料的力學性能
§10-1聚合物材料的結構與性能特點
分子品質大於1萬以上的有機化合物稱為高分子材料，是由許多小分子聚合而成，故又稱為聚合物或高聚物。
原子之間由共價鍵結合，稱為主價鍵；
分子之間由范德瓦爾鍵連接，稱為次價鍵。
分子間次價鍵力之和遠超過分子中原子間主價鍵的結合力。拉伸時常常先發生原子鍵的斷裂。