高美珍 材料科学与工程导论-11.ppt

Chapter 15 聚合物的特性、应用和加工Characteristics, Applications, and Processing of Polymers 一、力学行为(Mechanical Behavior) 15.1 应力-应变行为(Stress-Strain Behavior) 描述力学行为的参数（Parameters）： 弹性模量(Modulus of elasticity); 拉伸强度(Tensile strength); 屈服强度(Yield strength); 冲击强度(Impact toughness)。 聚合物的力学特性对于形变速率、温度、环境的化学性质（例如，水、氧气、有机溶剂的存在等）非常敏感。 A：脆性聚合物，Brittle polymer; B：塑性聚合物，Plastic polymer； C：高弹体，Elastomer。 屈服应力或屈服强度（Yield strength）?y：应力-应变曲线中，应力极大值对应的应力。 拉伸强度 (Tensile strength) TS，又称为断裂应力或断裂强度（Fracture toughness）：断裂时对应的应力。 塑性聚合物强度，通常采用拉伸强度。 表16.1给出了几种聚合材料的力学特性。附录B.2、B.3、B.4给出了更加丰富、详细的数据。 聚合物力学特性与金属不同： 弹性模量：高弹体聚合材料低至7 Mpa，某些脆性聚合物可以高达4 Gpa；金属在48~410 GPa之间； 拉伸强度：聚合物最大在100 MPa量级，金属合金的最大拉伸强度在4100 MPa； 伸长率：金属很少能大于100%，一些高弹性聚合物的可以高达1000%。 温度敏感性：RT(room temperature) 15.2宏观形变(Macroscopic deformation) 15.3粘弹性形变(Viscoelastic deformation) 非晶聚合物， 低温下，像玻璃，脆性的； 中间温度，橡胶固体（rubbery solid）， 粘弹性的（viscoelasticity）； 高温，黏性液体（viscous liquid），流动的。 Example: 硅酮橡胶（silicone polymer or silly putty） 粘弹性行为与时间和温度有关： 应力松弛（stress relaxation）实验： 松弛模量（Relaxation modulus）Er(t)， （15.1） 值得注意的两点： 1、松弛模量随时间延长减小-decay of stress； 2、松弛模量曲线随温度升高向下平移。 粘弹性蠕变（Viscoelastic Creep） 蠕变模量（Creep modulus）Ec(t)： （15.2） 15.5聚合物的断裂（Fracture of Polymer） 热固性聚合物：脆性断裂； 热塑性聚合物：塑性断裂or脆性断裂； 导致脆性断裂的因子：温度下降，形变速率增加，尖锐裂纹的存在，样品厚度增加，结构变化。 隙裂(Crazing）： 图15.15(a)显示了显微空穴的隙裂和纤丝桥；(b)有裂纹相随的隙裂 图15.16聚苯醚氧化物中隙裂的照片 隙裂与裂纹不同： 1、隙裂可以在其横截面上承受载荷； 2、隙裂的长大可以吸收断裂能量，提高断裂韧性； 3、隙裂的发展方向与拉伸应力方向垂直； 15.5其他特性 冲击强度(Impact toughness) 在冲击载荷条件下，聚合物可以表现出韧性或脆性断裂，这主要取决温度、试样尺寸、应变速度和加载方式。无论晶体还是非晶聚合物，低温下都是脆性的，而且都有较低冲击强度。 疲劳(fatigue) 聚合物在循环载荷作用下可能经历疲劳失效。图15.17是几种常见的聚合物的疲劳曲线，是断裂前应力与循环次数的对数的关系。 图15.17几种常见的聚合物的疲劳曲线 抗扯强度和硬度 影响聚合物在某些特殊用途中使用的其它力学特性包括：抗扯能力和硬度。抗扯能力是某些塑料的一个重要特性，尤其是那些用于包装的薄膜。抗扯强度，测量的力学参数是将具有标准几何的切口试样扯裂所需要的能量。抗扯强度的量级与拉伸强度量级有关。 硬度代表材料抗擦伤、穿透、划痕等的能力。聚合物中常使用洛氏硬度测量，其他压痕技术是硬度计和巴科尔压痕硬度计。