高分子的力学性能
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样条存在缺陷
理论值与实验结果相差原因
应力集中
重点
3.1.3 影响聚合强度的因素
内因：高分子链结构（组成、分子量及分子量分 布、支化和交联）、结晶与取向、增塑剂、共混、 填料、应力集中
外因：温度、湿度、作用力的速度等
-18-
1 高聚物的结构
（1）高分子链结构
• 主链的化学键力和分子间作用力大，聚合物强度高。 增加分子的极性或产生氢键可以提高聚合物强度。
◆静态力学性能：以一定速度缓慢作用时的力 学特性（拉伸、压缩、弯曲、直接剪切） ◆动态力学性能：静态力学之外的力学特性 （冲击、摩擦、磨耗）
-4-
应力与应变：材料形变时会产生附加内力来抵抗外力，力图 使材料恢复形变前的状态。这种附加力称为应力。
1. 拉伸变形
抗张应力：
F A
抗张应变：
L L
-8-
应力-应变综合曲线
弹性极限点 Y ：屈服点
E
A A
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
形变过程
弹性形变 屈服 应变软化
断裂
应变硬化
冷拉
-10-
脆性断裂和韧性断裂
材料破坏有二种方式，可从拉伸应力—应变曲线的形状和
LDPE拉伸强度比HDPE低
• 适度的交联大的形变，强度增高。能提高分子链 间的联系，使分子链不易滑动。交联度增加，不 易发生
PE交联后，拉伸强度提高1倍，冲击强度提高3-4倍
• 分子量低，拉伸强度和冲击强度低；分子量增加， 拉伸强度和冲击强度增高；分子量超过一定程度， 拉伸强度变化不大，但冲击强度继续增加
好，但相关性差。理想的拓扑指数是相关性、唯一性均好，
且计算简便的指数法。例如中科院长春应用化学所提出的 从邻接矩阵出发的EA系列指数。
由于高聚物结构复杂多变，想从结构上完整地、全面的
认识其性质，并非易事，目前还是利用实测的方法认识其
性质。
-3-
3.1 玻璃状态的力学性能
——强度与破坏
力学性能是指物体受外力作用后产生的形变及 抵抗破坏的能力
-6-
s G s
模量：理想弹性体的应力与应变遵从虎克定律
E=σ/ε G = σ/S/D 柔量：模量的倒数 E 称为杨氏模量 G 称为切变模量
简单剪切示意图
-7-
3.1.1 应力-应变曲线
聚合物材料的破坏过程常伴有不可逆形变（即
流动），不能用上述仅反应小形变特性的模量
来表达，通常以应力-应变曲线来反应这一过 程。
• • • • HDPE 拉伸强度 15-16MPa; PVC 拉伸强度 50 MPa; PA610 拉伸强度 60 MPa; PA66 拉伸强度 80 MPa-氢键密度比PA610大
• 含有芳杂环的高聚物，强度和模量高 • 芳香尼龙比普通尼龙的强度和模量高； • PS的强度和模量比PE高
-19-
• 分子链支化程度增加，使分子间作用力减弱，聚 合物拉伸强度下降，但冲击强度增高。
不同类型的应力－应变曲线
聚合物力学类型
软而弱
软而韧
硬而脆
硬而强
硬而韧
聚合物应力 —应变曲线
模 量 （刚性） 应 力 应 变 曲 线 特 点 屈服应力 （强度） 极限强度 （强度） 断裂伸长 （延性） 应力应变曲线 下面积（韧）
低
低
高
高
高
低
低 中等 小
低
高
中
高
高 中 中
高
高 高 大
按屈服应力 中
低 小 PS.PMMA.固 化酚醛树脂断 裂前无塑性形 变断裂前有银 纹
实 例
聚合物凝胶
橡胶.增塑. PVC.PE.PTFE -14-
硬PVC
ABS.PC.PE. PA有明显的 屈服和塑性 形变.韧性好
3.1.2 强度与破坏
拉伸外力 弯曲力矩 强度是指物质抵 抗破坏的能力 拉伸强度 抗弯强度 拉伸模量 弯曲模量
压力
冲击载荷
压缩强度
冲击强度
硬
度
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。
银纹如果不发展为裂纹，对材料的冲击强度提高 有贡献
-22-
（4） 增塑剂
增塑剂：具有低挥发性的低分子量有机物或柔性高 分子—— 酯类、醇类、聚酯、丙烯氰，丁二烯共聚 物、氯化石蜡等，能降低聚合物体系的黏度及聚合 物的玻璃化温度，弹性模量、屈服应力、抗张强度，
化学键拉断
15000MPa
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 。
e.g.
PA, Biblioteka Baidu0 MPa PPO, 70 MPa
exp eriment
1 1 ( ~ ) theory 100 1000
-20-
（2）结晶和取向
结晶度增加，拉伸强度、弯曲强度和模量增加， 但冲击强度和断裂伸长率降低。 取向使高聚物沿取向方向的强度提高几倍甚至几 十倍。
-21-
（3）应力集中
材料存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布 状态将发生变化，使缺陷附近局部范围内的应力 急剧增加，远远超过平均值，称为应力集中。 缺陷就是应力集中物，包括裂缝、孔隙、缺口、 银纹、杂质等，它们成为材料破坏的薄弱环节， 严重降低材料的强度。
破坏的断面形状来区分：
脆性破坏:①试样在出现屈服点之前断裂 ②断裂表面光滑
韧性破坏:①试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象 ②断裂表面粗糙
-11-
拉伸应力曲线反映的材料的力学性质
• • • • • 力学参量 弹性模量 屈服点 断裂伸长 屈服应力 刚性 弹性 延性 强度 力学性质
（或断裂强度、抗拉强度） • • 应力应变曲线下部的面积 韧性 弹性线下部的面积 回弹性
对于理想弹性体来说，在弹性极限内，应变正比于应 力，服从虎克定律：σ=Eε。 其比例常数为抗张弹性模量，也称杨氏模量，它表征了 物体变形的难易程度，E越大变形越难。
-5-
2. 压缩变形
P为单位面积上的静压力；
V为初始体积；△V为体
V PB V
积变化。 3. 剪切变形 σs为剪切应力； εs为剪切应变
第3章 高分子结构与性能-2
高分子的力学性能
结构~性质关系——构效关系，可用类似拓扑 指数来表达，拓扑指数法是基于图形理论，从 图的不变量出发，利用各种算法算出一个数用 来描述化合物的性质。——计算化学，药物分 子设计较为成功。
特点：1.唯一性；2.相关性
-2-
如今已出现100余种指数，但各有优缺点。如Wienter, Randic指数相关性好，但唯一性差；Balaban的J指数唯一性
理论值与实验结果相差原因
应力集中
重点
3.1.3 影响聚合强度的因素
内因：高分子链结构（组成、分子量及分子量分 布、支化和交联）、结晶与取向、增塑剂、共混、 填料、应力集中
外因：温度、湿度、作用力的速度等
-18-
1 高聚物的结构
（1）高分子链结构
• 主链的化学键力和分子间作用力大，聚合物强度高。 增加分子的极性或产生氢键可以提高聚合物强度。
◆静态力学性能：以一定速度缓慢作用时的力 学特性（拉伸、压缩、弯曲、直接剪切） ◆动态力学性能：静态力学之外的力学特性 （冲击、摩擦、磨耗）
-4-
应力与应变：材料形变时会产生附加内力来抵抗外力，力图 使材料恢复形变前的状态。这种附加力称为应力。
1. 拉伸变形
抗张应力：
F A
抗张应变：
L L
-8-
应力-应变综合曲线
弹性极限点 Y ：屈服点
E
A A
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
形变过程
弹性形变 屈服 应变软化
断裂
应变硬化
冷拉
-10-
脆性断裂和韧性断裂
材料破坏有二种方式，可从拉伸应力—应变曲线的形状和
LDPE拉伸强度比HDPE低
• 适度的交联大的形变，强度增高。能提高分子链 间的联系，使分子链不易滑动。交联度增加，不 易发生
PE交联后，拉伸强度提高1倍，冲击强度提高3-4倍
• 分子量低，拉伸强度和冲击强度低；分子量增加， 拉伸强度和冲击强度增高；分子量超过一定程度， 拉伸强度变化不大，但冲击强度继续增加
好，但相关性差。理想的拓扑指数是相关性、唯一性均好，
且计算简便的指数法。例如中科院长春应用化学所提出的 从邻接矩阵出发的EA系列指数。
由于高聚物结构复杂多变，想从结构上完整地、全面的
认识其性质，并非易事，目前还是利用实测的方法认识其
性质。
-3-
3.1 玻璃状态的力学性能
——强度与破坏
力学性能是指物体受外力作用后产生的形变及 抵抗破坏的能力
-6-
s G s
模量：理想弹性体的应力与应变遵从虎克定律
E=σ/ε G = σ/S/D 柔量：模量的倒数 E 称为杨氏模量 G 称为切变模量
简单剪切示意图
-7-
3.1.1 应力-应变曲线
聚合物材料的破坏过程常伴有不可逆形变（即
流动），不能用上述仅反应小形变特性的模量
来表达，通常以应力-应变曲线来反应这一过 程。
• • • • HDPE 拉伸强度 15-16MPa; PVC 拉伸强度 50 MPa; PA610 拉伸强度 60 MPa; PA66 拉伸强度 80 MPa-氢键密度比PA610大
• 含有芳杂环的高聚物，强度和模量高 • 芳香尼龙比普通尼龙的强度和模量高； • PS的强度和模量比PE高
-19-
• 分子链支化程度增加，使分子间作用力减弱，聚 合物拉伸强度下降，但冲击强度增高。
不同类型的应力－应变曲线
聚合物力学类型
软而弱
软而韧
硬而脆
硬而强
硬而韧
聚合物应力 —应变曲线
模 量 （刚性） 应 力 应 变 曲 线 特 点 屈服应力 （强度） 极限强度 （强度） 断裂伸长 （延性） 应力应变曲线 下面积（韧）
低
低
高
高
高
低
低 中等 小
低
高
中
高
高 中 中
高
高 高 大
按屈服应力 中
低 小 PS.PMMA.固 化酚醛树脂断 裂前无塑性形 变断裂前有银 纹
实 例
聚合物凝胶
橡胶.增塑. PVC.PE.PTFE -14-
硬PVC
ABS.PC.PE. PA有明显的 屈服和塑性 形变.韧性好
3.1.2 强度与破坏
拉伸外力 弯曲力矩 强度是指物质抵 抗破坏的能力 拉伸强度 抗弯强度 拉伸模量 弯曲模量
压力
冲击载荷
压缩强度
冲击强度
硬
度
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。
银纹如果不发展为裂纹，对材料的冲击强度提高 有贡献
-22-
（4） 增塑剂
增塑剂：具有低挥发性的低分子量有机物或柔性高 分子—— 酯类、醇类、聚酯、丙烯氰，丁二烯共聚 物、氯化石蜡等，能降低聚合物体系的黏度及聚合 物的玻璃化温度，弹性模量、屈服应力、抗张强度，
化学键拉断
15000MPa
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 。
e.g.
PA, Biblioteka Baidu0 MPa PPO, 70 MPa
exp eriment
1 1 ( ~ ) theory 100 1000
-20-
（2）结晶和取向
结晶度增加，拉伸强度、弯曲强度和模量增加， 但冲击强度和断裂伸长率降低。 取向使高聚物沿取向方向的强度提高几倍甚至几 十倍。
-21-
（3）应力集中
材料存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布 状态将发生变化，使缺陷附近局部范围内的应力 急剧增加，远远超过平均值，称为应力集中。 缺陷就是应力集中物，包括裂缝、孔隙、缺口、 银纹、杂质等，它们成为材料破坏的薄弱环节， 严重降低材料的强度。
破坏的断面形状来区分：
脆性破坏:①试样在出现屈服点之前断裂 ②断裂表面光滑
韧性破坏:①试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象 ②断裂表面粗糙
-11-
拉伸应力曲线反映的材料的力学性质
• • • • • 力学参量 弹性模量 屈服点 断裂伸长 屈服应力 刚性 弹性 延性 强度 力学性质
（或断裂强度、抗拉强度） • • 应力应变曲线下部的面积 韧性 弹性线下部的面积 回弹性
对于理想弹性体来说，在弹性极限内，应变正比于应 力，服从虎克定律：σ=Eε。 其比例常数为抗张弹性模量，也称杨氏模量，它表征了 物体变形的难易程度，E越大变形越难。
-5-
2. 压缩变形
P为单位面积上的静压力；
V为初始体积；△V为体
V PB V
积变化。 3. 剪切变形 σs为剪切应力； εs为剪切应变
第3章 高分子结构与性能-2
高分子的力学性能
结构~性质关系——构效关系，可用类似拓扑 指数来表达，拓扑指数法是基于图形理论，从 图的不变量出发，利用各种算法算出一个数用 来描述化合物的性质。——计算化学，药物分 子设计较为成功。
特点：1.唯一性；2.相关性
-2-
如今已出现100余种指数，但各有优缺点。如Wienter, Randic指数相关性好，但唯一性差；Balaban的J指数唯一性