第二章 高分子材料概论

第二章高分子材料概述

1.高分子材料的分类

2.高分子材料的性能

3.高分子材料的相关术语、概念及研究方法

5.1.2 橡胶：

橡胶是有机高分子弹性化合物。在很宽的温度(－50～150℃) 范围内具有优异的弹性。具有良好的疲劳强度、电绝缘性、耐化学腐蚀性以及耐磨性等

分类：

天然橡胶：自然界含胶植物中制取的一种高弹性物质。合成橡胶：用人工合成的方法制得的高分子弹性材料。合成橡胶：

1.通用合成橡胶：性能与天然橡胶相同或相近，广泛用于制造轮胎及其他大量橡胶制品的橡胶品种。丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶

2.特种合成橡胶: 具有耐寒、耐热、耐油、耐臭氧等特殊性能，用于制造特定条件下使用的橡胶制品。丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶。1.1.1 材料的性能

1)特征性能:（是属于材料本身所固有的性质）

力学性能，电学性能，磁学性能

热学性能，光学性能，化学性能

2)功能物性:（效应物性）

指在一定条件下和一定限度内对材料施加某种作用时，通过材料将这种作用转换为另一形式功能的性质。

如：热电转换性能，光热转换性能，光电转换性能，力电转换性能，磁光转换性能，电光转换性能，声光转换性能等。

材料的力学性能:材料在力的作用下所表现出来的特性即为材料的力学性能。(主要指标)

1 强度与模量

2 硬度

3 韧性

4 老化性能

5 耐磨性

6 疲劳特性

强度与塑性:

韧性：指材料抵抗裂纹萌生与发展的能力。

韧性与脆性是两个意义上完全相反的概念。与材料的力学屈服性质有关。

①屈服强度:在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。

②抗拉强度:试样在被拉断前的最大承载应力为抗拉强度。

高聚物的实际强度一般只有理论强度（~2X105 公斤/厘米2

）的1／100

其原因是

1.高聚物的分子链不是像假设的那样整齐地排列的，每根分子链受力也不可能是均匀的，断裂时不是每根分子链都同时达到其理论强度值。

2.实际上，材料的破坏往往是从最薄弱处（杂质、填料，材料内部的缺陷，包括裂纹、缺口、空隙、气泡等；银纹）开始的，并引起该处应力集中，继而使破坏进一步发展，最后材料远不到其理论强度

其他强度:

由扭转实验、弯曲实验、压缩实验等相应条件下的强度指标叫扭转强度、抗弯强度、抗压强度等。

抗弯(曲)强度也叫弯曲强度，是指采用简支梁法将试样放在两支点上，在两支点间的试样上试加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷

抗压强度也叫压缩强度，是指在试样上施加压缩载荷至破裂（对脆性材料而言）或产生屈服现象(对非脆性材料而言)时，原单位横截面积上所能承受的载荷，

2）塑性：材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑性。塑性以材料断裂后永久变形的大小来衡量。

塑性指标有延伸率和断面收缩率两种。

塑性对材料的使用和加工性能（增塑剂）影响较大。

弹性模量：单位应变所需应力的大小。是材料刚性的表征，简称模量。

分为拉伸模量（杨氏模量，E）、剪切模量（G）、体积模量（B，本体模量）。

硬度：是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力。

工程上常用莫氏硬度（Friedrich Mohs ）、布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、肖氏硬度HS和赵氏、邵氏硬度（邵A）等。

冲击强度：是材料在高速冲击状态下的韧性或抗断裂的度量。

标准试样在断裂时单位面积上所需的能量，而不是通常所指的“断裂应力”。冲击强度取决于材料受到冲击的瞬时应力是否能迅速分散此外来的应力（如分子链段运动）。

在玻璃化转变温度以下使用的塑料，因其链段不能运动，一般冲击强度不高，例如聚苯乙烯。

耐磨性

一个零件相对另一个零件摩擦的结果，引起摩擦表面有微小颗粒分离出来，使接触面尺寸变化、重量损失及其他性能下降的这种现象称为磨损。

材料对磨损的抵抗能力为材料的耐磨性。可用磨损量来表示，一般用在一定条件下试样表面的磨损厚度或试样体积或重量的减少来表征。

通常地，降低材料的摩擦系数、提高材料的硬度有助于增加材料的耐磨性。

老化性能： 在外界作用下，材料发生性质及性能变化（不利于使用）的现象称为老化。 老化多与化学因素有关，如降解或交联等。

疲劳特性： 在交变应力下，即使应力的最大值低于材料的屈服强度，经一定的循环周次后材料仍会断裂，这种现象即为材料的疲劳。当应力低于某值时，在无限多的循环周次下，材料仍不断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限；材料在交变应力作用下所能使用的时间或材料承受交变应力的周期数称为疲劳寿命（7/8）。 疲劳现象主要出现在具有较高塑性的材料中（振动） 金属材料的失效形式之一就是疲劳。疲劳断裂往往没有任何先兆，因而由此造成的后果往往是灾难性的。 高分子材料的塑性一般很好，但在长期使用过程中首先发生的是材料的老化失效，因而疲劳破坏不占主导地位。 陶瓷材料的塑性很低，其疲劳现象不如金属材料的明显，而且疲劳机理也不同于金属。 材料的电学性能：

1. 导电或产生电流的根本原因：材料中载流子的存在和迁移

2. 能产生电流的载流子有：电子、空穴、正离子、负

离子 3.评价材料导电能力的指标：电导率和电阻率 电导率的大小直接取决于三个因素：单位体积中的载流子数目；每个载流子的电荷量；每个载流子的迁移率。 4. 材料按其导电能力可分为： ①超导体：电阻率为0或趋近于0； ②导体：电阻率10-8～10-5Ω.m ③半导体：电阻率10-5～107Ω.m ； ④绝缘体：电阻率107～1020Ω.m 。 光学性能： 折射率：一般在1.5左右； 与高分子的结晶度有关 透明性：理论上大多数高分子材料都不吸收可见光； 实际应用：PMMA 、PS 、PET 渗透性能： 渗透性与高分子的柔顺性、结晶度、是否引入极性基团有关。 材料的热学性能：（热变形性能，热稳定性） 固体加热时有三个重要的效应，即吸热、传热、膨胀

度量的指标 ①热容：1mol 固体温度升高1K 时所吸收的热量。

②热导率：单位时间内在1K 温差的1㎝3正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量。 ③热膨胀系数：单位长度物体的长度随温度的变化率。 高分子的宏观状态

形变

温度 I I

I

I I I 2.温度-模量曲线

1温度--形变曲线

玻璃态

温度 形

变

I I I I I I 在区域I ，温度低，链段运动被冻结，只有侧基、链节、链长、键角等的局部运动，因此聚合物在外力作用下的形变小，具有虎克弹性行为：形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为玻璃态。

在力学行为上表现为模量高(109~1010 Pa)和形变小。