高聚物的力学性能材料科学基础

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征表现在: ①弹性形变大,可高达1000%,而金属材 料的普弹形变不超过1% ②弹性模量小,105~106 Pa,而且随绝对 温度升高而升高;而金属材料的弹性模量 达 1010~1011 Pa ,而且随绝对温度升高而 降低。
③在快速拉伸时(绝热过程),高聚物温
度上升;而金属材料温度下降。(如果把 橡胶薄片拉长,把它贴在嘴唇或面颊上, 就会感到橡皮在伸长时发热,回缩时吸 热。) ④形变与时间有关,橡胶受到外力(应力 恒定)压缩或拉伸时,形变总是随时间而 发展,最后达到最大形变。(理想高弹体 的高弹应变对应力的响应是瞬间完成的)
具有多种运动模式

由于高分子的长链结构,分子量不仅高,还具有 多分散性,此外,它还可以带有不同的侧基,加 上支化,交联,结晶,取向,共聚等,使得高分 子的运动单元具有多重性,或者说高聚物的分子 运动有多重模式
具有多种运动单元

如侧基、支链、链段、整个分子链等
各种运动单元的运动方式:
链段的运动: 主链中碳-碳单键的内旋转, 使得高 分子链有可能在整个分子不动, 即分子链质量中 心不变的情况下, 一部分链段相对于另一部分链 段而运动
常温下处于高弹态的非晶态高聚物可作
为橡胶。Tg是非晶性橡胶(如天然橡胶,
丁苯橡胶等)使用温度的下限(最低使
用温度)
粘流态是高聚物成型中最重要的状
态。
非晶态高聚物利用粘流态进行加工
成型(注射成型、挤出成型和吹塑 成型等)时,加工温度一般在Tf ~ Td(高聚物的分解温度)。 非晶态高聚物的粘流温度Tf 随相对 分子质量的增加而提高。 注意:以上讨论对支化高聚物同样 适用。
大量研究表明: 大多数高聚物熔体都为假塑性流体。
即表观粘度随切变速率的增大而降 低。 原因:P226
三、高聚物的粘弹性
1、粘弹性的概念:
前面讨论过的实际高弹性就是高聚物粘弹性的一种 表现形式,实际高弹变形随时间的变化正是弹性与 粘性组合的结果。
以下仅讨论高分子材料几种典型的线性粘弹性 行为,即蠕变、应力松弛和动态力学性能
“三态两区”的特点
粘流转变: 分子链重心开始出现相对位移. 模
量再次急速下降. 聚合物既呈现橡胶弹性, 又
呈现流动性. 对应的转ห้องสมุดไป่ตู้度Tf称为粘流温度
粘流态:大分子链受外力作用时发生位移, 且
无法回复。行为与小分子液体类似
Tg的学术意义:
聚合物分子链柔性
表征高聚物的特征指标
高聚物分子柔性越大,玻 璃化转变温度越低。 另外,对于相对分子质量 足够高的高聚物,Tg几乎 不依赖于相对分子质量。

(如后图)
2、流变性:
高聚物在Tf以上处于粘流态,成为熔
体 高聚物熔体主要力学特性就是具有 流变性能 几乎所有高聚物都是利用其粘流态 下的流动行为进行加工成型的,所 以了解和掌握高聚物的流变性是很 重要的
流变学:是研究材料流动和变形的
科学 高聚物流变学:是流变学的一个分 支,着重研究高聚物熔体的流变性, 它是一门十分年轻的科学,近几十 年来才得到重视。由于实际上的困 难,连定性的规律也还没有取得一 致的看法。我们在这一节主要讨论 高聚物流变性的一些基本规律,尽 管不够完善,但对于指导高聚物成 型加工还是有意义的。
结晶高聚物的熔点与分子链的柔性
和分子间的作用力有关: 分子链越柔,则熔点Tm越低; 分子间相互作用越强,特别是有氢 键作用时,熔点Tm越高。 熔点高于室温的部分结晶高聚物可 用做塑料或纤维,它们的使用温度 上限为Tm。
3、交联高聚物的力学状态:
分子链间 的交联限制了 整链运动,所 以不能流动, 即不可能出现 粘流态。


切断高分子链的化学键 高分子链彼此滑脱(分子间的范德华 力或氢键全部破坏) 破坏高分子之间的范德华作用或氢键 (分子间的范德华力或氢键部分破坏)
研究表明:
1、 高聚物断裂时,既涉及到化学键的断裂,也
涉及到范德华作用的克服。 2、高聚物的实际强度与理论强度相差很大。 (理论强度=(100~1000)实际强度) 原因:材料内部的缺陷会引起应力集中。 缺陷:几何的不连续(孔、空洞、缺口、沟槽、 裂纹);材质的不连续(杂质的质点);载荷的 不连续;不连续的温度分布产生的热应力;不连 续的约束产生的应力集中
产生缺陷的方式很多: 1、材料可能含有杂质颗粒、成块的不相容的添
加剂、相对分子质量太低可能使溶体在冷却过程 中形成 微孔和出现裂纹。 2、由产品设计造成。如断面的急剧变化,开设 的空洞及缺口,不成弧形的拐角。 3、加工条件不当造成。如温度太低,时间太短, 都会引起不适当的固结作用以及颗粒间的不良结 合等
侧基的运动: 侧基运动是多种多样的, 如转动, 内旋转, 端基的运动等
高分子的整体运动: 高分子作为整体呈现质量 中心的移动 晶区内的运动: 晶型转变,晶区缺陷的运动等
分子运动的时间依赖性:
在一定的温度和外力作用下, 高聚物分子从一种
平衡态过渡到另一种平衡态需要一定的时间; 因 为各种运动单元的运动都需克服内摩擦阻力, 不 可能瞬时完成。 这个过程称为松弛过程,完成这个过程所需要 的时间叫松弛时间。
速度梯度
流动方向
剪切流动按照流动的边界条件可分为;
此外,粘性流体在 静压力作用下的 体积压缩实际上 也是一种流动 (压制成型)
许多实际粘性流体的流动行为并不
服从牛顿定律。 以剪切流动为例,如果流体的粘度 与切应力或切变速率有关,则这种 流体叫做非牛顿流体。 非牛顿流体的类型很多,最常见的 有: 宾汉塑性流体 假塑性流体(切力变稀流体) 膨胀性流体(切力变稠流体)
聚合物分子运动的特点:
分子运动的多样性 (Varieties of molecular
movements)
分子运动与时间有关 (The relationship with time) 分子运动与温度有关 (The relationship with
temperature)
分子运动的多样性:
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:
一、 聚合物的力学状态
高分子不同的运动机制在宏观上表现为不同
的力学状态:
1、线形非晶态高聚物的力学状态:
将一块线形非晶态聚合物试样, 在恒应力作用
下等速升温, 观察聚合物的形变与温度的关系, 所得曲线称为温度形变曲线或热机械曲线
温度形变曲线
玻璃化转变区域 粘流转变区域 高弹态 粘 流 橡胶态 态
E
同样可以分为“三态”“两 区”
Tg
Tf
T
“三态两区”的特点
玻璃态: 分子链几乎无运动, 聚合物类似玻璃, 通
常为脆性的, 模量为104~1011Pa 玻璃化转变: 整个大分子链还无法运动, 但链段 开始发生运动, 模量下降3~4个数量级, 聚合物行 为与皮革类似 高弹态: 链段运动激化, 但分子链间无滑移. 受力 后能产生可以回复的大形变, 称之为高弹态, 为聚 合物特有的力学状态. 模量进一步降低, 聚合物表 现出橡胶行为
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
高弹形变的恢复过程也是一个松弛
过程。因为恢复的快慢一方面与高 分子链本身的柔顺性有关,柔顺性 好,恢复得快,柔顺性差,恢复就 慢;另一方面与高聚物所处的温度 有关,温度高,恢复得快,温度低, 恢复就慢。 高聚物流动的这个特点,在成型加 工过程中必须予以充分重视,否则 就不可能得到合格的产品。
2、部分结晶高聚物的力学状态:
M 不太大时:则晶区熔融( Tm ),非晶 区的 T f Tm ,所以试样成为粘流态。
M 足够大时:非晶区的 T f Tm ,则晶区
虽熔融(Tm ),但非晶区试样进入高弹 态再升温到以上才流动。 从加工角度看,这种情况是不希望的 (在高温下出现高弹态将给加工带来麻 烦。 (M代表相对分子质量)
二、高聚物的高弹性与流变性
1、高弹性:
高弹性的特点:
高弹态是高聚物所特有的,是基于链段运动的一种
力学状态,可以通过高聚物在一定条件下,通过玻 璃化转变而达到。 处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能 ——高弹性
这是高聚物中一项十分难能可贵的性能
橡胶就是具有高弹性的材料,高弹性的特
玻璃化转变的现象:
聚合物在玻璃化转变时,很多物理性质
都会出现突变或不连续变化,如: 体积、比容等 热力学性质:比热、导热系数等 力学性能:模量、形变等 电磁性能:介电常数等
Tg的工艺意义:
常温下处于玻璃态的非晶态高聚物可作
为塑料。 Tg是非晶态热塑性塑料使用
温度的上限(最高使用温度)
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。
2、蠕变
3、应力松弛
高聚物在流动过程中所发生的形变中: 只有一部分(粘性流动)是不可逆的。
因为高聚物的流动并不是高分子链之间 的简单的相对滑移的结果,而是各个链段 分段运动的总结果。在外力作用下,高分 子链顺外力场有所伸展,这就是说,在高 聚物进行粘性流动的同时,必然会伴随一 定量的高弹形变,这部分高弹形变显然是 可逆的,外力消失后,高分子链又要蜷曲 起来,因而整个形变要恢复一部分。
影响高聚物强度的因素:
影响因素一般可分为两大类:
与高聚物本身结构有关的因素 与外界条件有关的因素(温度、湿度、应变速 率、流体静压等)

与高聚物本身结构有关的因素
1、化学结构的影响: 高聚物的强度来源于主链化学键和分子间的相互
作用力,所以凡能增加高分子的极性或产生氢键 都可使材料强度提高。 2、相对分子质量的影响: 就相对分子质量不同的同系高聚物而言,在相对 分子质量比较低时,断列裂强度随相对分子质量 的增加而提高,在相对分子质量较高时,强度对 相对分子质量的依赖性逐渐减弱,当相对分子质 量足够高时,实际强度与相对分子质量无关。
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。
分子运动的温度依赖性:
温度升高,使分子的内能增加

运动单元做某一模式的运动需要一定的能量, 当 温度升高到运动单元的能量足以克服的能垒时, 这一模式的运动被激发
温度升高使聚合物的体积增加

分子运动需要一定的空间, 当温度升高到使自由 空间达到某种运动模式所需要的尺寸后, 这一运 动就可方便地进行
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
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