高分子材料学ppt课件
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5
2.1 高分子材料的力学状态
Tg
Tf
Td
玻璃态
T<T
g
（1）分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动。
（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。
6
高弹态
Tg ～Tf
（1）分子运动机制：链段“解冻”，可以运动 形变量大，100-1000﹪
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
8
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
（2）力学特征：形变量很大（流动）
形变不可逆
模量极小
（3）Tf与摩尔平均质量有关
9
2.1 高分子材料的力学状态
1
2.1 高分子材料的力学状态
物质的物理状态
相态 凝聚态
热力学概念 动力学概念
凝聚态
力学状态
根据物质对外场（外部作用）特别是外力场 的响应特性划分。
按物质力学性能随温度变化的特性划分。
2
2.1 高分子材料的力学状态
气态ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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。
玻璃化转变现象及Tg的重要性
自由体积理玻论璃化转变是高聚物的一种普遍现象。
发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能： T>Tg 时高聚物处于高弹态（弹性体） T<Tg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）
Tg是决定材料使用范围的重要参数： Tg 是橡胶的最低使用温度 Tg 是塑料的最高使用温度
结晶聚合物的力学三态及其转变
结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 轻度结晶聚合物
温度，非晶区进入高弹态，晶区起交联点作用。 整个材料具有韧性和强度。
10
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物中的非晶区处于高弹态，聚合物的硬度随 结晶度的增大而 提高 。
结晶度>40% 晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象。 结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩 尔平均质量。
硫化橡胶 未硫化橡胶
软PVC
齐聚物
软~硬：模量 强~弱：拉伸强度 韧~脆：断裂23能
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性
高弹态聚合物最重要的力学
性能
聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特
的力学性质，又称橡胶弹性。
高弹性的特点：
弹性模量小；
橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa
Point of elastic limit 弹性极限点
Yielding point 屈服点
Breaking point 断裂点
Strain softening 应变软化 B
B Y
Y
N
D
A A
plastic deformation
塑性形变
Strain hardening 应变硬化
E D A D A
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
F
扭转
18
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
电子万能材料试验机
19
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
20
2.2 高分子材料的力学性能
形变量很大；
形变量一般～500%，可达1000%。普通金属材料的形
变量＜1％
24
2.2 高分子材料的力学性能
温度升高，弹性模量增大 ； 温度，链段运动加剧，回缩力，维持相同形变所需
的作用力 抵抗变形的能力升高。 高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性
高弹形变时分子运动需要时间
O A
B
y
图2.4 晶态聚合物的应力-应变曲线
21
2.2 高分子材料的力学性能
22
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
实例
PS
硬PVC
PMMA 酚醛树脂
增韧EP
PC ABS HDPE
3
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
4
2.1 高分子材料的力学状态
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg ）；
高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（Tf）
14
2.2 高分子材料的力学性能
表征材料力学性能的基本指标
应力-应变 弹性模量 - 拉伸（杨氏）模量
剪切（刚性）模量 硬度 体积（本体）模量
机械强度 - 拉伸（抗张）强度 弯曲强度 冲击强度
15
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。
（2）力学特征： 模量小，105-107Pa 形变可逆，一个松弛过程
（3）常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料。 7
分子运动特点之一：时间依赖性
物质从一种平衡状态
外场作用下 通过分子运动
与外界条件相适 应的另一种平衡状态
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
11
2.1 高分子材料的力学状态
图2.2 高结晶聚合物的热机械曲线
考虑：① 聚合物的摩尔平均质量与粘流温度的关系； ② 粘流温度与熔点的关系。
12
2.1 高分子材料的力学状态
问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？
Cross-linked 交联
Network（3D） 网状
答案：不出现粘流态。
13
2.1 高分子材料的力学状态
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。
16
2.2 高分子材料的力学性能
材料受力方式的基本类型
F
A0
A
A0
l0
l
F
F Dl
F
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
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2.2 高分子材料的力学性能
2.1 高分子材料的力学状态
Tg
Tf
Td
玻璃态
T<T
g
（1）分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动。
（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 形变量大，100-1000﹪
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
8
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
（2）力学特征：形变量很大（流动）
形变不可逆
模量极小
（3）Tf与摩尔平均质量有关
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2.1 高分子材料的力学状态
1
2.1 高分子材料的力学状态
物质的物理状态
相态 凝聚态
热力学概念 动力学概念
凝聚态
力学状态
根据物质对外场（外部作用）特别是外力场 的响应特性划分。
按物质力学性能随温度变化的特性划分。
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2.1 高分子材料的力学状态
气态ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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。
玻璃化转变现象及Tg的重要性
自由体积理玻论璃化转变是高聚物的一种普遍现象。
发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能： T>Tg 时高聚物处于高弹态（弹性体） T<Tg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）
Tg是决定材料使用范围的重要参数： Tg 是橡胶的最低使用温度 Tg 是塑料的最高使用温度
结晶聚合物的力学三态及其转变
结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 轻度结晶聚合物
温度，非晶区进入高弹态，晶区起交联点作用。 整个材料具有韧性和强度。
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2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物中的非晶区处于高弹态，聚合物的硬度随 结晶度的增大而 提高 。
结晶度>40% 晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象。 结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩 尔平均质量。
硫化橡胶 未硫化橡胶
软PVC
齐聚物
软~硬：模量 强~弱：拉伸强度 韧~脆：断裂23能
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性
高弹态聚合物最重要的力学
性能
聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特
的力学性质，又称橡胶弹性。
高弹性的特点：
弹性模量小；
橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa
Point of elastic limit 弹性极限点
Yielding point 屈服点
Breaking point 断裂点
Strain softening 应变软化 B
B Y
Y
N
D
A A
plastic deformation
塑性形变
Strain hardening 应变硬化
E D A D A
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
F
扭转
18
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
电子万能材料试验机
19
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
20
2.2 高分子材料的力学性能
形变量很大；
形变量一般～500%，可达1000%。普通金属材料的形
变量＜1％
24
2.2 高分子材料的力学性能
温度升高，弹性模量增大 ； 温度，链段运动加剧，回缩力，维持相同形变所需
的作用力 抵抗变形的能力升高。 高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性
高弹形变时分子运动需要时间
O A
B
y
图2.4 晶态聚合物的应力-应变曲线
21
2.2 高分子材料的力学性能
22
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
实例
PS
硬PVC
PMMA 酚醛树脂
增韧EP
PC ABS HDPE
3
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
4
2.1 高分子材料的力学状态
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg ）；
高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（Tf）
14
2.2 高分子材料的力学性能
表征材料力学性能的基本指标
应力-应变 弹性模量 - 拉伸（杨氏）模量
剪切（刚性）模量 硬度 体积（本体）模量
机械强度 - 拉伸（抗张）强度 弯曲强度 冲击强度
15
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。
（2）力学特征： 模量小，105-107Pa 形变可逆，一个松弛过程
（3）常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料。 7
分子运动特点之一：时间依赖性
物质从一种平衡状态
外场作用下 通过分子运动
与外界条件相适 应的另一种平衡状态
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
11
2.1 高分子材料的力学状态
图2.2 高结晶聚合物的热机械曲线
考虑：① 聚合物的摩尔平均质量与粘流温度的关系； ② 粘流温度与熔点的关系。
12
2.1 高分子材料的力学状态
问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？
Cross-linked 交联
Network（3D） 网状
答案：不出现粘流态。
13
2.1 高分子材料的力学状态
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。
16
2.2 高分子材料的力学性能
材料受力方式的基本类型
F
A0
A
A0
l0
l
F
F Dl
F
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
17
2.2 高分子材料的力学性能