高分子材料的斷裂與強度

1、高分子材料的斷裂與強度,,高分子材料是以聚合物為基本組分，大多情況下同時還含有各種添加劑的材料。如加入填料、增塑劑、穩(wěn)定劑等，以期獲得具有實用價值和經(jīng)濟(jì)價值的材料或改善其成型加工的性能。,概述,聚合物作為材料可因用途不同，有不同的性能要求，如力學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能，但對大多數(shù)高分子材料，力學(xué)性能是其最重要的性能。材料的力學(xué)性能是指外加作用力與形變及破壞的關(guān)系,主要內(nèi)容,高分子材料的斷裂,高分子材料的強度,一、高分子材料的斷裂,高聚

2、物的實際強度與其斷裂行為的特征密切相關(guān)，從斷裂的性質(zhì)來分，高分子材料的宏觀斷裂分為脆性斷裂和韌性斷裂,所謂韌性斷裂是在屈服點之后斷裂，斷裂面粗糙，消耗的斷裂能很大。,所謂脆性斷裂是在屈服點之前斷裂，斷裂面光滑，消耗的斷裂能不大,而材料的脆性斷裂，在工程上必須盡量避免的。,（一）脆性斷裂和韌性斷裂,脆性斷裂表面,發(fā)生脆性斷裂時，斷裂表面較光滑或略有粗糙，斷裂面垂直于主拉伸方向，試樣斷裂后，殘余形變很小。,韌性斷裂時，斷裂面與主拉伸方向多成

3、45度角，斷裂表面粗糙，有明顯的屈服（塑性變形、流動等）痕跡，形變不能立即恢復(fù)。,韌性斷裂表面,（二）斷裂的分子理論和斷裂過程,斷裂的分子理論,,在外應(yīng)力作用下材料發(fā)生形變后，會引起各種響應(yīng)使分子鏈斷裂，斷裂的結(jié)果使應(yīng)力重新分布：一種可能使應(yīng)力分布趨于均勻，斷裂過程結(jié)束；另一種可能使應(yīng)力分布更加不均勻，分子鏈斷裂過程加速，發(fā)展成微裂紋（微空穴），繼續(xù)承受應(yīng)力，微空穴合并，發(fā)展成大裂縫或缺陷。待到裂縫擴展到整個試樣就發(fā)生宏觀破裂。,高分子

4、材料斷裂過程：,裂紋引發(fā)（成核）,裂紋擴展,,斷裂源首先在材料最薄弱處形成，一般是主裂紋通過單個銀紋擴展；隨著裂紋擴展和應(yīng)力水平提高，主裂紋不再是通過單個銀紋擴展，而是通過多個銀紋擴展，因而轉(zhuǎn)入霧狀區(qū)；當(dāng)裂紋擴展到臨界長度時，斷裂突然發(fā)生。,脆性斷裂過程基本可分為三個階段：,二、高分子材料的強度,強度是材料抵抗外力破壞的能力，高聚物之所以具有抵抗外力破壞的能力，主要靠分子內(nèi)的化學(xué)鍵合力和分子間的范德華力和氫鍵。,影響高聚物實際強度的

5、因素很多，總的來說可以分為兩類：一是與材料本身有關(guān)的，包括高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量及其分布、支化和交聯(lián)、結(jié)晶與取向等；另一類是與外界條件有關(guān)的，包括溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)力狀態(tài)等。,（一）高聚物的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)對強度的影響,高聚物彈性模量依賴于結(jié)構(gòu)因素，凡屬分子量較大、柔順性較小、極性較強、取向度較高、結(jié)晶度較高和交聯(lián)密度較大的高聚物，彈性模量的數(shù)值均較大。高聚物的其他力學(xué)性能與彈性模量之間有相互對應(yīng)的關(guān)系。彈性模量較大的聚合物，抗沖擊強度就

6、較小，但硬度、撓曲強度、抗壓強度均較大。,抗沖擊性是高聚物材料使用性能的重要方面，提高分子鏈的柔順性可以改善高聚物的抗沖擊性，沖擊力是一種快速作用力，往往使分子鏈來不及做出構(gòu)象調(diào)整，即鏈段材料來不及作松弛運動以分散應(yīng)力，從而出現(xiàn)脆性破壞，只有高聚物處于高彈態(tài)或分子鏈柔順性大者，才具有較好的抗沖擊性，通過使用增塑劑、增韌劑或共混改性可以改善高聚物的抗沖擊性。,（1）高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu),一般來說，分子鏈間的作用力小、取代基體積小、極性弱的大分

7、子鏈其柔順性較好，此類高聚物在較小外力下便產(chǎn)生高彈形變，因此較軟，屈服強度低、彈性模量小、拉伸強度低、伸長率達(dá)；而增大高分子的極性或產(chǎn)生氫鍵可使強度提高，另外主鏈具有芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的高聚物，其強度和模量都比脂肪族主鏈高。為了提高彈性模量和強度，可以在分子鏈中引入極性基團(tuán)或環(huán)狀結(jié)構(gòu)。,注意：極性基團(tuán)過密或取代基過大，僵硬性太大，會造成加工成型的困難，還會帶來脆性，反而限制了聚合物的使用范圍。,（2）分子量及其分布,分子量是對高分子材料力學(xué)性能

8、（包括強度、彈性、韌性）起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在一定范圍內(nèi)，伸長或沖擊強度隨高聚物分子量的增大而增大。當(dāng)分子量增大到某一范圍以上，外力達(dá)到足以使大分子主鏈共價鍵斷裂而仍足以使大分子滑動時，聚合物的破壞便發(fā)生于共價鍵上，拉伸強度便不再隨分子量的增大而增大了，而沖擊強度則繼續(xù)增大。分子量分布對機械強度也有影響，若分布很寬，低分子量的分子含量達(dá)10%~15%，強度會明顯下降，其原因是低分子量的分子起著內(nèi)增塑作用，促使分子鏈之間易于發(fā)生滑

9、動。,（3）支化和交聯(lián),分子鏈支化程度增加，使分子之間的距離增加，分子間的作用力減小，因而高聚物的拉伸強度會降低，但沖擊強度會提高，例如高壓聚乙烯的拉伸強度比低壓聚乙烯的低，而沖擊強度反而比低壓聚乙烯高。,交聯(lián)一方面可以提高材料的抗蠕變能力，另一方面也能提高斷裂強度。一般認(rèn)為，對于玻璃態(tài)聚合物，交聯(lián)對脆性強度的影響不大；但對高彈態(tài)材料的強度影響很大。適度的交聯(lián)可以有效地增加分子鏈間的聯(lián)系，使分子鏈不易發(fā)生相對滑移。隨著交聯(lián)度的增加，往

10、往不易發(fā)生大的形變，強度增高。但交聯(lián)過程中往往會使高聚物結(jié)晶度下降，取向困難，因而過分的交聯(lián)并不是有利的，如硫化膠的交聯(lián)劑用量一般低于5%。,（4）結(jié)晶和取向,結(jié)晶對高分子材料力學(xué)性能的影響也十分顯著，主要影響因素有結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)。一般影響規(guī)律是： 1）隨著結(jié)晶度上升，材料的屈服強度、斷裂強度、硬度、彈性模量均提高，但斷裂伸長率和韌性下降。這是由于結(jié)晶使分子鏈排列緊密有序，孔隙率低，分子間作用增強所致。2）晶粒尺寸和晶

11、體結(jié)構(gòu)對材料強度的影響更大。 均勻小球晶能使材料的強度、伸長率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長和韌性下降。3）晶體形態(tài)對聚合物拉伸強度的影響規(guī)律是，同一聚合物，伸直鏈晶體的拉伸強度最大，串晶次之，球晶最小。,高聚物加工過程中分子鏈沿一定方向取向，使材料力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，在取向方向得到增強。,對于脆性材料，取向使材料在平行于取向方向的強度、模量和伸長率提高，甚至出現(xiàn)脆-韌轉(zhuǎn)變，而在垂直于取向方向的強度和伸長率降低

12、。對于延性、易結(jié)晶材料，在平行于取向方向的強度、模量提高，在垂直于取向方向的強度下降，伸長率增大。,取向,（二）外界條件對強度的影響,溫度與形變速率,較大地增加形變速率或較大幅度地降溫，鏈段在試驗時間內(nèi)將來不及再取向，從而導(dǎo)致斷鏈和脆性斷裂。,在高速應(yīng)變或低溫下，內(nèi)部分子活動受阻，則高聚物呈現(xiàn)低的沖擊強度和脆性斷裂。,,應(yīng)力狀態(tài),影響高聚物脆性——韌性轉(zhuǎn)移，施加流體靜壓力，可以使脆性固體表現(xiàn)為韌性。,當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)由壓縮改變?yōu)楹唵渭羟?、?/p>