高聚物力学性能

第十三章高分子材料的力学性能（2学时）

[教学要求]

掌握聚合物应力—应变曲线以及各种因素对应力—应变曲线影响、屈服现象和机理，了解银纹、剪切带的概念；掌握聚合物的强度、韧性和疲劳等概念，了解聚合物强度的影响因素、增强方法和增强机理；聚合物韧性的影响因素、增韧方法和增韧机理。

[教学重点]

介绍聚合物应力—应变曲线以及各种因素对应力—应变曲线影响；玻璃化转变温度、聚合物的强度、韧性和疲劳等概念；增韧方法和增韧机理。

[教学难点]

玻璃化转变温度的影响因素、增强方法和增强机理、聚合物韧性的影响因素和增韧机理。

[教学方法]

多媒体辅助教学，充分利用图片多媒体素材，激发学生学习兴趣。

[教学内容]

§1概述

1-1 描述力学性质的基本物理量

三种基本应变的模量

拉伸:

杨氏模量 E (MPa)、σ-应力、ε-应变、 F-拉伸力

AO-试样原始截面积

lO-试样原始长度

Δl-伸长长度

剪切:

压缩:

三种应变模量的关系

对于各向同性的材料有

E = 2G (1+í) = 3B (1-2 í)

常用的几种力学强度

拉伸强度σt= P/bd （最大负荷/截面积)Mpa

1 Mpa = 9.8 kg/cm

2 ≈ 10 kg/cm2

弯曲强度σf = 1.5(Plo/bd) MPa

冲击强度σi = W/bd Kg cm/cm2

1-2 高聚物力学性能的特点

高弹性——高聚物特有

粘弹性——力学行为对温度和时间有强烈的依赖关系

比强度特高

§2 高聚物的拉伸行为

1—1 应力σ ～应变ε曲线

最常用于描述高聚物的力学性能，应力～应变曲线的形状取决于化学结构、物理结构、试验测试条件——温度、速率等

典型的σ～ε曲线

屈服点Y :

Y前部——弹性区域 E大形变小可逆

Y后部——塑性区域 E小形变大不可逆

拉伸(断裂)强度σX

屈服点Y前断裂——脆性断裂

屈服点Y后断裂——韧性断裂

2 —2 玻璃态非晶高聚物的拉伸

<1>温度影响

a) T << Tg 脆性断裂、形变小

b) T < Tg 出现屈服点形变稍大

c) T < Tg 脆性断裂、形变大

d) T > Tg 进入高弹态、形变大，不出现屈服点

<2> 拉伸速率的影响

拉伸速率增加，相当于温度下降，拉伸强度增加，断裂伸长率降低。

<3> 受迫高弹态

有些玻璃态高聚物在大应力作用下能产生大的形变(高弹形变)；

产生原因：外力使链段运动松弛时间减小。

2—3 结晶高聚物的拉伸

曲线可分为三个阶段：

试样均匀拉伸应力随应变线性增加至Y；

出现”细径”并不断扩展, 应力几乎恒定；

成径后继续均匀拉伸, 应力增加直至断裂。

分子机理:发热软化理论

外力作用

缩径区分子链取向

构象熵 S 减小 , S<0放热

缩径区附近温度增加

屈服强度减小

容易变形使缩径进一步扩大

§3 高聚物的强度

3-1 拉伸强度

<1>高聚物的理论强度

化学键破坏、分子间滑脱、次价力破坏

高聚物破坏的过程

首先——在未取向部分的次价力(局部)被破坏

然后——由于应力集中使分子主链(局部)断裂

最后——继续由于应力集中使出现宏观上的断裂

<2> 影响聚合物强度的因素

高聚物分子结构的影响

* 增加分子链间的作用力可提高拉伸强度；

* 引入极性基团和形成氢键的基团，强度增加；

聚酰胺(氢键) >聚氯乙烯(极性基团)>聚异丁烯

* 刚性链的结构因素使σ和 E 均

结晶、取向和交联

结晶使分子间排列紧密——分子间作用力增加，强度增加；

取向——分子链协同作用↑ ∴σ↑；

适度交联使分子间作用力↑ ∴σ↑

过度交联将使材料变脆弱；

分子量的影响

分子链的链端对强度无贡献；分子量越高端链所占比例越少，强度越高；极性聚合物(PA等) 分子量应达20000或以上；非极性聚合物(PE等) 分子量应达 50000或以上

共聚和共混

共聚和共混是改善力学性能的重要手段

PS共混——HIPS(高抗冲聚苯乙烯)

PS三元共聚——ABS

增塑剂和填充料

增塑剂加入使分子间作用↓σ↓

惰性填料(CaCO3等)——降低成本σ↓

；

活性填料(碳黑等) ——增强作用σ↑；

功能性填料——赋于高聚物某些特殊的功能。3-2 冲击强度(韧性)

<1>影响冲击强度的因素

结晶性: 高弹态下结晶的存在使冲击强度↑

玻璃态下结晶的寸在使冲击强度↓

填充料: 纤维状填充料可提高冲击强度

粉末状填充料一般使冲击强度↓

温度: 热塑性塑料在 Tg附近T↑冲击强度↑热固性塑料温度影响不明显

增塑剂: 加入后冲击强度↑但拉伸强度↓

<2>高聚物的增韧

开发高韧性(高拉伸强度)聚合物

工程塑料——聚碳酸酯,聚砜.聚芳酯等

对通用塑料改性增韧

常用方法是橡胶增韧塑料