第三章高分子性能(力学性能)详解.ppt

第 三 章  高分子材料的结构与性能（2） 高聚物的力学性能 第一节 概述 第二节 高弹性 第三节 粘弹性 第四节 极限力学行为 （屈服、断裂与强度） 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 如：某高聚物磨擦、磨耗性能优良，但力学性能 不好，很脆，不能用它作减磨材料。 再如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求有一定的力学性能：强度和韧性。如折叠几次就破裂，那么这种材料的电绝缘性虽好，也不能用作电线。 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 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 应变：当材料受到外力作用而又不产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化称为应变或形变。 应力：材料宏观变形时，其内部分子及原子间发生相对位移，产生分子间及原子间对抗外力的附加内力，达到平衡时，附加内力于外力大小相等，方向相反。单位面积上的内力即为应力，其值与外加应力相等。 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 普弹性：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 高弹性：小的应力作用下可发生很大的可逆形变，是由内部构象熵变引起的，所以也称熵弹性（橡胶具有高弹性） 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：材料所能承受的应力 韧性：材料断裂时所吸收的能量 1-2 高聚物力学性能的特点 1．高聚物材料具有所有已知材料可变性范围最宽的力学 性质，包括从液体、软橡皮到很硬的固体，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） 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 2.高聚物力学性能的最大特点 高弹性和粘弹性 （1）高聚物的高弹性： 是由于高聚物极大的分子量使得高分子链有许多不同的构象，而构象的改变导致高分子链有其特有的柔顺性。链柔性在性能上的表现就是高聚物的高弹性。它与一般材料的普弹性的差别就是因为构象的改变；形变时构象熵减小，恢复时增加。内能在高弹性形变中不起主要作用（它却是普弹形变的主要起因） （2）高聚物的粘弹性： 指高聚物材料不但具有弹性材料的一般特性，同时还具有粘性流体的一些特性。弹性和粘性在高聚物材料身上同时呈现得特别明显。 高聚物的粘弹性表现在它有突出的力学松弛现象，描述粘弹性高聚物材料的力学行为必须同时考虑应力、应变、时间和温度四个参数。高聚物材料的力学性能对时间和温度的强烈依赖性是研究其力学性能中要着重弄清的问题，也是进行高聚物材料的测试及使用时必须十分注意的问题。 2-1 高弹性的特点 高弹态是高聚物所特有的，是基于链段运动的一种力学状态，可以通过高聚物在一定条件下，通过玻璃化转变而达到 处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能——高弹性 这是高聚物中一项十分难能可贵的性能 橡胶就是具有高弹性的材料，高弹性的特征表现在： ①弹性形变大，可高达1000%，而金属材料的普弹形变不超过1% ②弹性模量小， ，而且随绝对温度升高而升高；而金属材料的弹性模量达 ，而且随绝对温度升高而降低 ③在快速拉伸时（绝热过程），高聚物温度上升；而金属材料温度下降。如果把橡胶薄片拉长，把它贴在嘴唇或面颊上，就会感到橡皮在伸长时发热，回缩时吸热。 ④形变与时间有关，橡胶受到外力（应力恒定）压缩或拉伸时，形变总是随时间而发展，最后达到最大形变，这种现象叫蠕变。 原因：由于橡胶是长链分子，整个分子的运动都要克服分子间的作用力和内摩擦力，高弹形变就是靠分子链段运动来实现的。整个分子链从一种平衡状态过度到与外力相适应的平衡状态，可能需要几分钟，几小时甚至几年。也就是说在一般情况下形变总是落后与外力，所以橡胶形变需要时间 2-2 橡胶的使用温度 在高于一