聚合物结构及性能

普弹性：在大应力作用下，只产生小的、线性可逆
形变，它是由化学键的键长，键角变化引起的。与材 料的内能变化有关：形变时内能增加，形变恢复时， 放出能量，对外做功（玻璃态，晶态，高聚物，金属， 陶瓷均有这种性能），普弹性又称能弹性。

特点：应变对应力的响应是瞬时的。

高弹性：小的应力作用下可发生很大的可逆形变，是
简单拉伸
简单剪切
均匀压缩
张应变：
应变
真应变：
l l0 l0
l
切应变：
压缩应变：
tg
是偏斜角
dli l0 l i
张应力： 应力
V V0
F A0 真应力：
切应力：
压力：P

F A
F A0
弹
性
杨氏模量：
切变模量：
体积模量：
P PV 0 B V
泊松比：


（2）简单剪切
剪切应变：
S tg d F 剪切应力： A0
剪切模量：
G
（3）均匀压缩

在流体静压力 P 的 均匀压缩下： 均匀压缩应变 ：

V V0
压缩模量（体积模量、本体模量、刚度）：
P B
弹性模量 —— E、G、B 统称为弹性模量。
应变（strain）：在外力作用下，当材料不能发生惯性移
动时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化称为应 变。如单轴拉伸时，试样长度由原来的 l0 →l，拉伸应变
l l l0 l0 l0
常用术语

力学行为：指施加一个外力在材料上，它产生怎样的形
变（响应），即应力和应变之间的响应行为
模
量
泊淞比：


F A0 E l l0
m m T l l
F G r A0tg
横向单位宽度的减小 纵向单位长度的增加
柔
拉伸柔量：
切变柔量：
可压缩度：
量
机械 强度
1 D E
拉伸强度
1 J G
剪切强度
1 B
压缩强度
取向材料：

单轴取向材料（图 a）的描述需要5
个参数才能全面描述。即取向方向的
模量 E33 和泊松比 = – E33/E13，横 向上的模量 E11 = E22 和泊松比 12 =
21 = – E11/E21，以及决定绕取向方向
扭转的剪切模量 G。

双轴取向的材料（图 b）需要 9 个参 数才能全面描述，即模量 E11、E22、 E33 和泊松比 12、21、23、32、13、 31。
第五章 高聚物的力学性质
第五章 高聚物的力学性质
第一节 概述 第二节 高弹性 第三节 粘弹性 第四节 高聚物的塑性和屈服 第五节 高聚物的断裂和强度
第一节 概述
1-1 力学性能分类 1-2 表征力学性能的基本物理量 1-3 高聚物力学性能的特点
1-1 力学性能分类

力学性能是高聚物优异物理性能的基础
应力 弹性模量 应变
弹性模量之间的关系（各向同性材料）：
E 2G 1 3B 1 2
1-2 形变类型及描述力学行为的基本物理量 小结
简单拉伸 简单剪切
F
θ Fwenku.baidu.com
均匀压缩
受 力 方 式
受 力 特 点
l0
F
F
外力 F 与截面垂直， 外力F是与作用面 材料受到的是 大小相等，方向相反，平行，大小相等， 静压力。 作用在同一直线上的 方向相反的两个力。 两个力。
由内部构象熵变引起的，所以也称熵弹性（橡胶具有高 弹性）

粘弹性：粘性和弹性的双重表现称为粘弹性 静态力学性能：在恒应力或恒应变情况下的力学行为 动态力学性能：物体在交变应力下的粘弹性行为
应力松弛：在恒应变情况下，应力随时间的变化

蠕变：在恒应力下，物体的形变随时间的变化


强度：材料所能承受的最大应力
蠕 变
滞 后 力学损耗
动 态 Dynamic
Non-Linear viscoelasticity
强 度 断裂性能 Fracture 韧 性
Strength
Toughness
常用术语
应力（stress）：材料在外力作用下发生宏观应变时，其
内部原子或分子间距改变而产生的一种抵抗外力作用的附 加内力（抵抗外力，试图使其恢复到原平衡状态力），大 小与外力相等，方向相反。定义单位面积上的附加内力为 应力。应力的大小用单位面积上所受到的外力大小表示。 即： 应力 = F/A

形变性能：非极限情况下的力学行为


断裂性能：极限情况下的力学行为
弹性：对于理想弹性体来讲，其弹性形变可用虎克定律来
表示，即：应力与应变成正比关系，应变与时间无关

粘性：在外力作用下，分子与分子之间发生位移，
理想的粘性流体其流动形变可用牛顿定律来描述：应 力与应变速率成正比。

特征：形变随时间线性增加，且不可逆。
韧性：材料断裂时所吸收的能量
1-2 形变类型及描述力学行为的基本物理量

形变有三种最基本的类型：

简单拉伸形变 —— 单轴拉伸下的张应变。 简单剪切形变 —— 简单剪切力作用下的应变。 均匀压缩产生的体积形变 —— 材料在静压力下产


生的压缩应变。
1-2 形变类型及描述力学行为的基本物理量
（1）简单拉伸
拉伸应变 —— 工程应变 或习用应变：
l l l0 l0 l0
工程应力 ：
F A0
（1）简单拉伸
真应力：
F A
真应变：
dl l ln l0 l l0
l
杨氏模量：
E
（1）简单拉伸
横向收缩应变：
m m m0 T m0 m0
T
形变性能 力学性能 断裂性能
普弹性 弹 性 Elasticity
高弹性 High elasticity 应力松弛 静 态 Static
形变性能 Deformation
粘 性 Viscosity
线性粘弹性
Linear viscoelasticity 粘弹性 viscoelasticity 非线性粘弹性
( ij
E jj Eij
)
1-3 高聚物力学性能的特点
1．高聚物材料具有可变范围最宽的力学性质， 包括从液体、软橡皮到坚硬的固体，各种高 聚物对于机械应力的反应相差很大，例如：

PS制品很脆，一敲就碎（脆性）
尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性）
轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几倍，力解除后 基本恢复原状（弹性） 胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性、塑性形 变、不可逆） 高聚物力学性质的这种多样性，为不同的应用提供 了广阔的选择余地