材料力學(xué)性能

1、1,第十章 聚合物材料的力學(xué)性能,§10.1 聚合物材料的結(jié)構(gòu)與性能特點 §10.2 線型非晶態(tài)聚合物的變形 §10.3 結(jié)晶聚合物的變形 §10.4 聚合物的粘彈性 §10.5 聚合物的力學(xué)性能,2,§10.1 聚合物材料的結(jié)構(gòu)與性能特點,分子質(zhì)量大于1萬以上的有機(jī)化合物稱為高分子材料。它是由許多小分子聚合而成，故又稱為聚合物或高聚物。

2、 原子之間由共價鍵結(jié)合，稱為主價鍵； 分子之間由范德瓦爾鍵連接，稱為次價鍵。 分子間次價鍵力之和遠(yuǎn)超過分子中原子間主價鍵的結(jié)合力。拉伸時常常先發(fā)生原子鍵的斷裂。而不是分子鏈之間的滑脫。 聚合物的小分子化合物稱為單體，組成聚合物長鏈的基本結(jié)構(gòu)單元則稱為鏈節(jié)。 聚合物長鏈的重復(fù)鏈節(jié)數(shù)目，稱為聚合度。 天然的聚合物有 木材、橡膠、棉花、絲、毛發(fā)和角等。 人工合成聚合物有 工程塑料、合成

3、纖維、合成橡膠等。,3,,一、聚合物的基本結(jié)構(gòu) 1、高分子鏈的構(gòu)型 （近程結(jié)構(gòu)） 由化學(xué)鍵所固定的幾何形狀——指高分子鏈的化學(xué)組成、鍵接方式和立體構(gòu)型等。 長支鏈、短支鏈；線型交聯(lián)分子鏈、三維交聯(lián)分子鏈。,4,,由兩種以上結(jié)構(gòu)單體聚合而成的聚合物稱為共聚物。 聚合物的結(jié)晶很難完全。 （共聚物的幾種形式如圖9-3。）a）無規(guī)共聚，b）交替共聚，c）鑲段共聚，d）接枝共聚,5,,2、高分子鏈的構(gòu)象（遠(yuǎn)

4、程結(jié)構(gòu)） 一根巨分子長鏈在空間的排布形象，稱為巨分子鏈的構(gòu)象。 如無規(guī)則線團(tuán)鏈、伸展鏈、折疊鏈、螺旋鏈等構(gòu)象(圖9-5)。 由于存在分子主鏈單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使得巨分子鏈的構(gòu)象在不斷變化中，故通常聚合物具有極好的彈性。,6,,3、聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)包括 晶態(tài)結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)及取向。 晶區(qū)與非晶區(qū)共存。結(jié)晶度＜98％，微晶尺寸在100A左右。 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的高分子

5、鏈多呈無規(guī)則線團(tuán)形態(tài)?！≡谕饬ψ饔孟拢酆衔锏拈L鏈沿外力方向排列的形態(tài)稱為聚合物的取向。,7,,4、高分子材料結(jié)構(gòu)特征歸納： ⑴聚合物為復(fù)合物（∵各個巨分子的分子量不一定相同）； ⑵聚合物有構(gòu)型、構(gòu)象的變化； ⑶分子之間可以有各種相互排列。,8,,二、聚合物的主要物理、力學(xué)性能特點 (1)密度小 1.0～2.0g/cm2,是鋼的～1/4、陶瓷的～1/2。 (2)高彈性 彈變100～100

6、0％，金屬只有0.1～1.0％。 (3)彈性模量小 E=0.4～4.0GPa，而金屬則為30～300GPa。（剛度差） (4)粘彈性明顯 高彈性對時間有強(qiáng)烈依賴性。應(yīng)變落后于應(yīng)力：室溫下可能產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松弛。 返回,9,§10.2 線型非晶態(tài)聚合物的變形,線型非晶態(tài)聚合物是指結(jié)構(gòu)上無交聯(lián)、聚集態(tài)無結(jié)晶的高分子

7、材料?！?隨溫度不同而變化，可處于玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種力學(xué)狀態(tài)(圖9-7)　　tb一脆化溫度 tg一玻璃化溫度 tf一粘流溫度,10,,圖9-8為非晶態(tài)聚合物在不同溫度下的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。,11,,一、玻璃態(tài)下的變形＜tb 聚合物處于硬玻璃態(tài)。 只有彈性變形階段，且伸長率很小?？恐麈I鍵長的微量伸縮和微小的鍵角變化來實現(xiàn)彈性變形。也為普彈性變形。tb<t<tg

8、 聚合物處于軟玻璃態(tài)。 a’點以下為普彈性變形； a’s段變形是由于外力作用迫使鏈段運動所引起的，是為受迫高彈性變形。 去除外力后，溫度在tg以下，變形可保留下來，可達(dá)300％～1000 ％。在tg溫度以上，這種變形可以消除。 在s點屈服后，應(yīng)力一般會有所下降。試樣截面積減小，分子鏈沿外力方向取向。 塑性變形抗力增大，應(yīng)力一應(yīng)變曲線復(fù)又上升，直至斷裂。,12,,（圖9-9為長鏈聚合物

9、的變形方式）,13,,二、聚合物在高彈態(tài)下的變形tg＜t＜tf 高彈性 其彈性變形量可達(dá)1000％，而其彈性模量E值卻只有0.1～1GPa，約為鋼的1／10。 鏈段的運動，引起分子構(gòu)象的變化。 原卷曲的鏈沿拉力方向伸長，宏觀上表現(xiàn)為很大的彈性變形。去除外力后，接點及扭結(jié)的趨勢使聚合物鏈又回復(fù)至卷曲狀態(tài)，宏觀變形消失(回復(fù)過程需要一定時間)。 如果聚合物鏈的交聯(lián)接點過多，會使交聯(lián)點間的鏈段變短、降

10、低鏈段的活動性(柔性)，使彈性下降以至消失，此時，彈性模量和硬度增加。,14,,三、聚合物在粘流態(tài)下的變形＞tf 分子鏈在外力作用下可進(jìn)行整體相對滑動，呈粘性流動，導(dǎo)致不可逆永久變形。聚合物處于粘流狀態(tài)。 聚合物在粘流態(tài)下可具有部分彈性，其彈性變形符合虎克定律，呈線性粘彈性行為。因為卷曲的分子鏈在受載時可暫時伸長，卸載后又重新卷曲。,15,,四、影響線型非晶態(tài)聚合物力學(xué)性能的因素 線型非晶態(tài)聚合物

11、力學(xué)三狀態(tài)（玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)）及與之有關(guān)的線彈性、滯彈性、粘彈性和粘流性是描述聚合物力學(xué)性能的基礎(chǔ)。 除了與溫度、時間和應(yīng)力等外部因素有關(guān)外，還與其微觀結(jié)構(gòu)及分子量等因素有關(guān)。 由圖可見，隨相對分子質(zhì)量增大，tg升高，tg～tf溫度區(qū)間也增大。 返回,16,§10.3 結(jié)晶聚合物的變形,由于晶區(qū)內(nèi)的鏈段無法運動，結(jié)晶度高的聚合物不存在高彈性，但

12、具有較高的強(qiáng)度和硬度。 ＜tg 結(jié)晶態(tài) tg＜t＜tm 結(jié)晶態(tài)聚合物形成強(qiáng)韌(晶區(qū)與非晶區(qū)復(fù)合作用)的皮革態(tài)。 t＞tm 晶體相熔化，聚合物全部由非晶區(qū)組成，轉(zhuǎn)化成為高彈性的橡膠態(tài)。,17,,未取向的結(jié)晶聚合物，其變形過程復(fù)雜。受載時，結(jié)晶區(qū)先被破壞，隨后再重新組成新的微纖維束定向排列的結(jié)構(gòu)(圖9-13)，其拉伸應(yīng)力～應(yīng)變曲線示于圖9-14。 當(dāng)結(jié)晶聚合物出現(xiàn)屈服

13、(曲線最高點)后，原有的結(jié)構(gòu)開始破壞，試樣上出現(xiàn)縮頸，并沿長度方向不斷擴(kuò)展。 如果在縮頸開始后不迅速發(fā)生斷裂，則隨應(yīng)變增加，被破壞的晶體結(jié)構(gòu)又重新組成方向性好、強(qiáng)度高的微纖維新結(jié)構(gòu)。每個微纖維都有很高的強(qiáng)度，再加上微纖維間的聯(lián)系分子進(jìn)一步伸展，新結(jié)構(gòu)聚合物的抗變形能力增大。由于應(yīng)變硬化，應(yīng)力一應(yīng)變曲線再度上升，直至達(dá)到斷裂應(yīng)力。具有取向的聚合物呈各向異性。返回,18,,19,§10.4 聚合物的粘彈性,聚合物在外力

14、作用下，彈性和粘性兩種變形機(jī)理同時存在的力學(xué)行為稱為粘彈性。一、靜態(tài)粘彈性——蠕變與應(yīng)力松弛 1、蠕變與應(yīng)力松弛的特點 大多數(shù)聚合物的tg和tm稍高于室溫，所以在室溫下聚合物就已有明顯的蠕變與應(yīng)力松弛行為。 是大分子在外力長時間作用下，逐漸發(fā)生構(gòu)象改變或位移變化的結(jié)果。 蠕變變形除不可回復(fù)的粘性變形外，還包含普彈性變形和高彈性變形。在外力去除后，普彈性變形迅速回復(fù)，而高彈性變形則緩慢地部分回復(fù)，與金屬蠕

15、變的明顯區(qū)別。,20,,2、蠕變模量與應(yīng)力松弛模量 在恒定時間下的應(yīng)力～應(yīng)變曲線如圖9-16c，曲線的斜率稱為蠕變模量。應(yīng)力松弛模量也與時間有關(guān)。 蠕變模量和應(yīng)力松弛模量是表征聚合物粘彈性的力學(xué)性能指標(biāo)。,21,,3、影響蠕變與應(yīng)力松弛的因素 聚合物的抗蠕變能力對溫度很敏感，在某些情況下對濕度也敏感。溫度每變化一度(K)或相對濕度每變化1％，某些聚合物的蠕變模量能改變4％。 溫度升高，應(yīng)力

16、松弛速度加快；反之，溫度降低，松弛速度減慢。,22,,凡是能增加分子間作用力和鏈段運動阻力的結(jié)構(gòu)因素，均能提高聚合物抗蠕變和應(yīng)力松弛能力。如：主鏈剛性大；相對分子質(zhì)量高；分子極性強(qiáng)，分子間作用力大；聚合物交聯(lián)等。 聚四氟乙烯分子鏈雖然剛性大，但分子間作用力小，所以抗蠕變松弛能力弱。 聚氨脂橡膠由于分子極性強(qiáng)，分子間作用力大，所以抗蠕變性能好。 聚氯乙烯塑料抗蠕變

17、性能差，在架空時會因蠕變而逐漸彎曲。,23,,二、動態(tài)粘彈性——內(nèi)耗 聚合物的應(yīng)變隨時間的變化始終落后于應(yīng)力的變化，這一滯后效應(yīng)稱為動態(tài)粘彈性現(xiàn)象。由于存在滯后效應(yīng)，使聚合物在交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變來不及完全恢復(fù)。未能釋放的彈性能消耗于克服分子間的內(nèi)摩擦上，即產(chǎn)生了內(nèi)耗。這種內(nèi)耗轉(zhuǎn)化為熱能。

18、 返回,24,§10.5 聚合物的力學(xué)性能,1、強(qiáng)度 比金屬低，一般為20～80MPa，比強(qiáng)度較金屬的高。 實際強(qiáng)度僅為其理論值的1／200。此與其結(jié)構(gòu)缺陷(如裂紋、雜質(zhì)、氣泡、空洞和表面劃痕等)和分子鏈斷裂不同時性有關(guān)。 主要的結(jié)構(gòu)因素有： （1）高分子鏈極性大或形成氫鍵能顯著提高強(qiáng)度。 （2）主鏈剛性大，強(qiáng)度高，但是鏈剛性太大，會使材料變脆。 （3）分子鏈

19、支化程度增加，降低抗拉強(qiáng)度。 （4）分子間適度進(jìn)行交聯(lián)，提高抗拉強(qiáng)度；但交聯(lián)過多，因影響分子鏈取向，反而降低強(qiáng)度。,25,,2、銀紋與斷裂過程 在拉應(yīng)力作用下，非晶態(tài)聚合物的某些薄弱地區(qū)，可應(yīng)力集中產(chǎn)生局部塑性變形，結(jié)果在其表面和內(nèi)部會出現(xiàn)閃亮的、細(xì)長形的“類裂紋”，稱為銀紋(Craze)。 “類裂紋”中有空洞，還有稱為銀紋質(zhì)的聚合物。 銀紋區(qū)仍有力學(xué)強(qiáng)度，但其密度較低，銀紋具有可逆性，在壓應(yīng)力作用下或經(jīng)玻

20、璃化溫度以上退火處理，銀紋將會減少和消失。 銀紋是非晶態(tài)聚合物塑性變形的一種特殊形式，銀紋的形成增加聚合物的韌性，因為它使聚合物的應(yīng)力得到松弛；同時，銀紋中的微纖維表面積大，可吸收能量，對增加韌性也有作用。 聚合物形成銀紋類似于金屬韌性斷裂前產(chǎn)生的微孔。,26,,3、硬度與耐磨性 （1）硬度 聚合物的硬度也比金屬低得多。 由于聚合物具有較大的柔性和彈性，故在不少場合下顯示出較高的抗劃傷能力。

21、（2）耐磨性 聚合物的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)與金屬相差很大，兩者的粘著傾向很小。 在干摩擦條件下，聚合物一金屬摩擦副的耐磨性通常優(yōu)于大多數(shù)金屬與金屬配對的摩擦副。大多數(shù)液體對塑料具有潤滑減摩作用。 特有的高彈性，可使接觸表面產(chǎn)生變形而不是切削犁溝損傷，故具有較好的抗磨粒磨損能力。但在鑿削式磨粒磨損情況下，聚合物的耐磨性比較差。,27,,4、疲勞強(qiáng)度 聚合物的疲勞強(qiáng)度低于金屬。 聚合物的疲勞破壞過程有兩種方式：