第6章-高聚物的力学强度

1、第第6章章 高分子材料的力学强度及破坏高分子材料的力学强度及破坏 本章主要内容本章主要内容 第第1节节 高分子材料的应力高分子材料的应力-应变特性应变特性 11 应力应变曲线及其类型应力应变曲线及其类型 12 影响应力影响应力-应变行为的外部因素应变行为的外部因素 13 关于屈服变形的讨论关于屈服变形的讨论 14 强迫高弹形变与强迫高弹形变与“冷拉伸冷拉伸” 第第2节节 高分子材料的破坏和强度高分子材料的破坏和强度 21 宏观破坏方式宏观破坏方式 22 关于断裂过程的讨论关于断裂过程的讨论 23 高分子材料的强度高分子材料的强度 24 高分子材料的增强改性高分子材料的增强改性 第第3节节 聚合

2、物断裂力学聚合物断裂力学 31 线弹性断裂力学线弹性断裂力学 32 弹塑性断裂理论，弹塑性断裂理论，J 积分积分 第第4节节 高分子材料的抗冲击性能和增韧改性高分子材料的抗冲击性能和增韧改性 41 抗冲击强度抗冲击强度 42 影响抗冲击性能的因素影响抗冲击性能的因素 43 高分子材料的增韧改性高分子材料的增韧改性 讲清以下基本概念：讲清以下基本概念：工程应力；真应力；拉伸强度；断裂伸长率；屈服强度；工程应力；真应力；拉伸强度；断裂伸长率；屈服强度； 屈服应变；细颈；断裂能；脆屈服应变；细颈；断裂能；脆-韧转变温度；剪切屈服；拉伸屈服；强迫高弹形韧转变温度；剪切屈服；拉伸屈服；强迫高弹形 变；冷

3、拉；脆性断裂；韧性断裂；应力集中效应；理论强度；实际强度；增强；变；冷拉；脆性断裂；韧性断裂；应力集中效应；理论强度；实际强度；增强； 抗冲击强度；韧性；银纹；裂纹；剪切带；环境应力开裂；增韧。抗冲击强度；韧性；银纹；裂纹；剪切带；环境应力开裂；增韧。 举例说明应力举例说明应力-应变曲线的类型。说明各类曲线的主要特点。应变曲线的类型。说明各类曲线的主要特点。从聚合物拉伸应力从聚合物拉伸应力- 应变曲线上能得到哪些重要的表征力学性能的信息应变曲线上能得到哪些重要的表征力学性能的信息 比较剪切屈服和拉伸屈服。比较强迫高弹形变和冷拉。说明脆性断裂和韧性断比较剪切屈服和拉伸屈服。比较强迫高弹形变和冷拉

4、。说明脆性断裂和韧性断 裂的区别和分子机理。裂的区别和分子机理。 讲解高分子材料的断裂过程和断裂机理（分子理论）。说明应力集中效应。讲解高分子材料的断裂过程和断裂机理（分子理论）。说明应力集中效应。 建议建议6学时学时 讲解重点讲解重点 讲清高分子材料发生讲清高分子材料发生脆性脆性-韧性转变的几种方式和影响因素。韧性转变的几种方式和影响因素。 说明高分子材料的实际强度远小于理论强度的原因。讲清影响断裂强度的因素。说明高分子材料的实际强度远小于理论强度的原因。讲清影响断裂强度的因素。 详细讲解材料发生屈服的主要形式。比较详细讲解材料发生屈服的主要形式。比较“银纹银纹”、“剪切带剪切带”、“空穴空

5、穴”的形态、特的形态、特 点、生成条件和机理。说明它们对材料屈服的影响。点、生成条件和机理。说明它们对材料屈服的影响。 了解高分子材料增强改性的主要方法。增强改性中最重要的科学问题何在。了解高分子材料增强改性的主要方法。增强改性中最重要的科学问题何在。 讲清抗冲击强度概念和影响抗冲击强度的主要因素。讲清抗冲击强度概念和影响抗冲击强度的主要因素。 建议建议6学时学时 讲解重点讲解重点 了解高分子材料增韧改性的主要方法。增韧改性中最重要的科学问题何在。了解高分子材料增韧改性的主要方法。增韧改性中最重要的科学问题何在。 第第1节节 高分子材料的应力高分子材料的应力-应变特性应变特性 11 应力应变曲

6、线及其类型 111 单轴拉伸实验单轴拉伸实验 图图6-1 哑铃型标准试样示意图哑铃型标准试样示意图 （6-2） 0 A F 00 0 l l l ll （6-1） 注意此处定义的应力注意此处定义的应力等于拉力除以试样原始截面积等于拉力除以试样原始截面积A0， 这种应力称为这种应力称为工程应力工程应力或标称应力（或标称应力（nominal stress）；）； 相应地，相应地， 称为称为工程应变工程应变或标称应变（或标称应变（nominal strainnominal strain） 图图7-2 典型的拉伸应力典型的拉伸应力-应变曲线应变曲线 典型高分子材料拉伸应力典型高分子材料拉伸应力-应变曲

7、线应变曲线 （2 2）极大值）极大值Y点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服 强度）强度） 和屈服应变和屈服应变 。 y y （3 3）到达）到达B点发生断裂。与点发生断裂。与B点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断 裂强度）裂强度） 和断裂伸长率和断裂伸长率 ，它们是材料发生破坏的极限强度和极限，它们是材料发生破坏的极限强度和极限 伸长率。伸长率。 B B B dW 0 （4）曲线下的面积等于）曲线下的面积等于 （7-3） 相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为

8、相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为Jm-3，称断裂能或断裂功。它是，称断裂能或断裂功。它是 表征材料韧性的一个物理量。表征材料韧性的一个物理量。 曲线特征曲线特征 （1）OA段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力- -应变呈直线关系变化，应变呈直线关系变化， 直线斜率直线斜率 相当于材料弹性模量。相当于材料弹性模量。 E d d 由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应变曲线具有多种形由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应变曲线具有多种形 状。归纳起来，可分为五类状。归纳起来，可分为五类 。 图图7-3 高分子材料应力高分子材料应力-应应 变

9、曲线的类型变曲线的类型 （a）硬而脆型）硬而脆型 （b）硬而强型）硬而强型 （c）硬而韧型）硬而韧型 （d）软而韧型）软而韧型 （e）软而弱型）软而弱型 曲线的类型曲线的类型 （a） （b）虚线为工程应力曲线；实线为真应力曲线）虚线为工程应力曲线；实线为真应力曲线 图图6-4 （a）圆柱形压缩实验样品；（）圆柱形压缩实验样品；（b）聚碳酸酯的拉伸和压缩应力）聚碳酸酯的拉伸和压缩应力-应变曲线应变曲线 对比看出压缩强度往往大于拉伸强度。对拉伸实验，工程应力曲线比真应力曲线低；对比看出压缩强度往往大于拉伸强度。对拉伸实验，工程应力曲线比真应力曲线低； 对压缩实验，工程应力曲线比真应力曲线高。对压缩

10、实验，工程应力曲线比真应力曲线高。 112 单轴压缩实验单轴压缩实验 121 温度的影响温度的影响 图图7-4 聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变 曲线随环境温度的变化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下） 环境温度对高分子材料拉伸行为的环境温度对高分子材料拉伸行为的 影响十分显著。温度升高，分子链段影响十分显著。温度升高，分子链段 热运动加剧，松弛过程加快，表现出热运动加剧，松弛过程加快，表现出 材料模量和强度下降，伸长率变大，材料模量和强度下降，伸长率变大， 应力应变曲线形状发生很大变化。应力应变曲线形状发生很大变化。 材料的拉伸断裂强度材料的拉伸断裂强度 和屈和屈

11、服强度服强度 随环境温度而发生变随环境温度而发生变 化。屈服强度受温度变化的影响更化。屈服强度受温度变化的影响更 大些。大些。 B y 12 影响应力影响应力-应变行为的外部因素应变行为的外部因素 图图7-5 断裂强度断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势和屈服强度随温度的变化趋势 虚线虚线高拉伸速率高拉伸速率 实线实线低拉伸速率低拉伸速率 在温度升高过程中，材料发生在温度升高过程中，材料发生 脆脆-韧转变。两曲线交点对应的韧转变。两曲线交点对应的 温度称温度称脆脆-韧转变温度韧转变温度 。 t T 当环境温度小于当环境温度小于 时，材料时，材料 的的 ，受外力作用时，受外力作用时， 材料未屈服前

12、先已断裂，呈脆性材料未屈服前先已断裂，呈脆性 断裂特征。断裂特征。 t T B y 环境温度高于环境温度高于 时，时， ， 受外力作用时，材料先屈服，出现细颈和很大受外力作用时，材料先屈服，出现细颈和很大 变形后才断裂，呈韧性断裂特征。变形后才断裂，呈韧性断裂特征。 t T B y 材料的材料的脆脆-韧转变韧转变 122 形变速率的影响形变速率的影响 减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时 -温等效原理在高分子力学行为中的体现。温等效原理在高分子力学行为中的体现。 B 图图7-6 断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变

13、化趋势断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势 实线低环境温度 虚线高环境温度 y 与脆与脆-韧转变温度相似，根据韧转变温度相似，根据 图中两曲线交点，可以定义脆图中两曲线交点，可以定义脆- 韧转变（拉伸）速率韧转变（拉伸）速率 。拉。拉 伸速率高于伸速率高于 时，材料呈脆时，材料呈脆 性断裂特征；低于性断裂特征；低于 时，呈时，呈 韧性断裂特征。韧性断裂特征。 t t t 拉伸速率对材料的断裂强度拉伸速率对材料的断裂强度 和屈服强度和屈服强度 也有明显影响也有明显影响 。 123 环境压力的影响环境压力的影响 图图7-7 聚苯乙烯的应力聚苯乙烯的应力-应变曲线应变曲线 随环境压力的变化（随环境

14、压力的变化（T=31） 右图可见，右图可见，PSPS在低环境压力（常压）在低环境压力（常压） 下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长 率都很低。随着环境压力升高，材料率都很低。随着环境压力升高，材料 强度增高，伸长率变大，出现典型屈强度增高，伸长率变大，出现典型屈 服现象，材料发生脆服现象，材料发生脆- -韧转变。韧转变。 研究发现，对许多非晶聚合物，研究发现，对许多非晶聚合物， 如如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韧转变韧转变 行为还与环境压力有关。行为还与环境压力有关。 两种转变方式有很大差别。温度升高使材料变两种转变方式有很大差别。温度升高使材料变 韧，但同时材

15、料拉伸强度明显受损。另一方面，韧，但同时材料拉伸强度明显受损。另一方面， 升高环境压力也使材料变韧，在增韧同时材料升高环境压力也使材料变韧，在增韧同时材料 的强度也得到提高，材料变得强而韧。的强度也得到提高，材料变得强而韧。 两种脆两种脆- -韧转变的差别韧转变的差别 1）剪切屈服）剪切屈服 图图6-11 拉力作用下聚碳酸酯试样中产生拉力作用下聚碳酸酯试样中产生“颈缩颈缩”和剪切屈服带的照片和剪切屈服带的照片 注意剪切屈服带与应力方向成注意剪切屈服带与应力方向成45度角，出现剪切屈服带的区域开始出现度角，出现剪切屈服带的区域开始出现“颈缩颈缩” 剪切屈服是最重要的屈服形式。拉伸应力剪切屈服是最

16、重要的屈服形式。拉伸应力-应变实验中，试样发生屈服时在试样应变实验中，试样发生屈服时在试样 中部经常出现中部经常出现“颈缩颈缩”（neck-down）现象，颈缩处出现与拉伸方向大约成）现象，颈缩处出现与拉伸方向大约成 45角的肩形斜面。角的肩形斜面。 剪切屈服时材料内部的微结构，包括晶区、分子束、分子链都会沿剪切方向发生相剪切屈服时材料内部的微结构，包括晶区、分子束、分子链都会沿剪切方向发生相 对滑移，消耗大量变形能。在压缩形变、弯曲形变屈服时，材料内部都可能发生剪对滑移，消耗大量变形能。在压缩形变、弯曲形变屈服时，材料内部都可能发生剪 切屈服。剪切屈服时材料宏观体积不变。切屈服。剪切屈服时材

17、料宏观体积不变。 13 关于屈服变形的讨论 2）拉伸屈服）拉伸屈服 （a） （b） 图图6-12 结晶聚合物的拉伸屈服结晶聚合物的拉伸屈服 a, 聚丙烯试样中球晶间出现微细纤维（聚丙烯试样中球晶间出现微细纤维（SEM照片）照片）b, 聚氨聚氨 酯试样中沿球晶边缘出现空洞（薄膜试样，酯试样中沿球晶边缘出现空洞（薄膜试样，TEM照片）照片） 拉伸屈服指在外力作用下，材拉伸屈服指在外力作用下，材 料内部垂直于外力作用方向出料内部垂直于外力作用方向出 现微结构的撕裂、挣脱、位移，现微结构的撕裂、挣脱、位移， 消耗变形能。伴随拉伸屈服，消耗变形能。伴随拉伸屈服， 材料内部或表面出现微细裂纹，材料内部或表

18、面出现微细裂纹， 称银纹（称银纹（craze）；也可能出）；也可能出 现微小空洞（现微小空洞（cavity），使表），使表 观体积变大。观体积变大。 拉伸屈服也存在于弯曲形变中，试样弯曲时在表面伸展的一侧常常出现大量银纹。拉伸屈服也存在于弯曲形变中，试样弯曲时在表面伸展的一侧常常出现大量银纹。 141 非晶高分子材料的强迫高弹形变非晶高分子材料的强迫高弹形变 图图7-4 聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变 曲线随环境温度的变化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下） 研究高聚物拉伸破坏行为时，特别要注研究高聚物拉伸破坏行为时，特别要注 意在较低温度下的拉伸、屈服、断裂的情意

19、在较低温度下的拉伸、屈服、断裂的情 形。形。 对于非晶聚合物，当环境温度处于对于非晶聚合物，当环境温度处于 时，虽然材料处于玻璃态，链时，虽然材料处于玻璃态，链 段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能 发生百分之几百的大变形，这种变形称强发生百分之几百的大变形，这种变形称强 迫高弹形变。迫高弹形变。 b T T g T 讨论讨论 14 强迫高弹形变与强迫高弹形变与“冷拉伸冷拉伸” 图图7-8 结晶聚合物在不同温度下的应力结晶聚合物在不同温度下的应力-应应 变曲线变曲线 结晶聚合物也能产生强迫高结晶聚合物也能产生强迫高 弹变形，这种形变称弹变形，这种形变称“冷拉

20、冷拉 伸伸”。结晶聚合物具有与非晶。结晶聚合物具有与非晶 聚合物相似的拉伸应力应变聚合物相似的拉伸应力应变 曲线，见图曲线，见图7-87-8。 图中当环境温度低于熔点时图中当环境温度低于熔点时 （ ），虽然晶区尚未熔融，），虽然晶区尚未熔融， 材料也发生了很大拉伸变形。见图中材料也发生了很大拉伸变形。见图中 曲线曲线3、4、5。 这种现象称这种现象称“冷拉伸冷拉伸”。 T m T 讨论讨论 142 晶态高分子材料的晶态高分子材料的“冷拉伸冷拉伸” 21 宏观破坏方式宏观破坏方式 2 1 1 拉伸断裂拉伸断裂 脆性断裂和韧性断裂表面脆性断裂和韧性断裂表面 图图7-11 PS7-11 PS试样脆性

21、断裂表面的电镜照片试样脆性断裂表面的电镜照片 图图7-12 7-12 增韧改性增韧改性PVCPVC韧性断裂表面韧性断裂表面 的电镜照片的电镜照片 第第2节节 高分子材料的破坏和强度高分子材料的破坏和强度 图6-21 冲击试样断裂表面的普通光学照片。左图：脆性试样；右图：韧性试样 图6-22 左图脆性试样冲击断裂表面的电镜照片；右图韧性试样冲击断裂表面的电镜照片 2 1 2 冲击断裂冲击断裂 2 1 3 疲劳和磨损破坏疲劳和磨损破坏 材料的耐疲劳和耐磨损能力决定着材料的使用寿命。材料的耐疲劳和耐磨损能力决定着材料的使用寿命。 疲劳（疲劳（fatigue）是指材料在长时间周期性应力（或应变）作用下

22、发生）是指材料在长时间周期性应力（或应变）作用下发生 塑性形变、软化乃至损坏、断裂的现象。塑性形变、软化乃至损坏、断裂的现象。 磨损（磨损（friction wear）是指材料在相互接触的摩擦运动中，表层发热、）是指材料在相互接触的摩擦运动中，表层发热、 黏附、损伤、发生宏观材料剥落的现象。黏附、损伤、发生宏观材料剥落的现象。 从材料学角度看，疲劳和磨损是材料在长期动态应力作用下，内部或表面产生力化从材料学角度看，疲劳和磨损是材料在长期动态应力作用下，内部或表面产生力化 学反应，引发产生微细损伤，造成分子链断裂、交联、结晶粒子微细化等，形成微学反应，引发产生微细损伤，造成分子链断裂、交联、结晶

23、粒子微细化等，形成微 细裂纹，而后裂纹再逐渐扩展生长，最终导致宏观破坏的过程。细裂纹，而后裂纹再逐渐扩展生长，最终导致宏观破坏的过程。 疲劳和磨损过程均伴随显著的热效应。疲劳和磨损过程均伴随显著的热效应。 疲劳和磨损的机理十分复杂，需要时请阅读有关专著。疲劳和磨损的机理十分复杂，需要时请阅读有关专著。 22 关于断裂过程的讨论关于断裂过程的讨论 221 材料的脆性断裂和韧性屈服材料的脆性断裂和韧性屈服 图图7-13 拉伸试样内斜拉伸试样内斜 截面上的应力分布截面上的应力分布 设试样横截面积为设试样横截面积为 A0 ，作用于其上的拉力为，作用于其上的拉力为F，可以求得，可以求得 在试样内部任一斜

24、截面在试样内部任一斜截面 上的法向应力上的法向应力 和切向应和切向应 力力 : : A n t sincosFFFF tn cos/ 0 AA 2 0 2 00 coscos cos/ cos / A F A F AFn n 2sin 2 1 cossin cos/ sin / 0 00 A F A F AFt t 在不同角度的斜截面在不同角度的斜截面 上，法向应力上，法向应力 和切向应力和切向应力 值不值不 同。由公式得知，在斜角同。由公式得知，在斜角= 0 的截面上（横截面），法向应力的值最的截面上（横截面），法向应力的值最 大；在大；在= 45 的截面上，切向应力值最大。的截面上，切向应

25、力值最大。 A n t 图图7-14 法向应力与切向应力随斜截面的变化法向应力与切向应力随斜截面的变化 讨论讨论 本质上，法向应力本质上，法向应力 与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉伸能力极限与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉伸能力极限 值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材料在值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材料在 作用下发生破坏作用下发生破坏 时，往往伴随主链的断裂。时，往往伴随主链的断裂。 t n 切向应力切向应力 与材料的抗剪切能力相关，极限值主要取决于分子间内聚力。材与材料的抗剪切能力相关，极限值主要取决于分子间内聚力。材 料在料在 作用下发生屈服时，往往发生分子链的相对滑移（图

26、作用下发生屈服时，往往发生分子链的相对滑移（图7-15）。）。 图图7-15 垂直应力下的分子链断裂（垂直应力下的分子链断裂（a）和剪切应力下的分子链滑移（）和剪切应力下的分子链滑移（b） n t 在外力场作用下，材料在外力场作用下，材料 内部的应力分布与应力内部的应力分布与应力 变化十分复杂，断裂和变化十分复杂，断裂和 屈服都有可能发生，处屈服都有可能发生，处 于相互竞争状态。于相互竞争状态。 讨论讨论 图图6-26 薄板中椭圆型孔洞的应薄板中椭圆型孔洞的应 力集中效应示意图力集中效应示意图 设二维无限大薄板上有一个椭圆形孔洞设二维无限大薄板上有一个椭圆形孔洞 （a， ），薄板在椭圆短轴方向

27、受到一），薄板在椭圆短轴方向受到一 拉伸应力拉伸应力 ，则在孔洞长轴的尖端区，则在孔洞长轴的尖端区 将因应力集中效应而承受高达几倍乃至几将因应力集中效应而承受高达几倍乃至几 十倍的巨大应力十倍的巨大应力 （与（与 平行）。平行）。 0 tip 0 0 / tipt K t K称应力集中系数。称应力集中系数。 /2/21aaKt 经验证明对多数材料而言，其临界抗拉伸强度（理论内聚强度）约为杨氏模量经验证明对多数材料而言，其临界抗拉伸强度（理论内聚强度）约为杨氏模量E的的 1/15，因此一个存在裂纹缺陷的材料的最高预期强度，因此一个存在裂纹缺陷的材料的最高预期强度 为：为： exp 15/2 ex

28、p EaKt tip a E 30 exp 222 裂纹的应力集中效应裂纹的应力集中效应 断裂过程断裂过程 微裂纹引发（成核）微裂纹引发（成核） 裂纹扩展成裂缝裂纹扩展成裂缝裂缝生长引起断裂裂缝生长引起断裂 从分子水平看，出现裂纹必然产生新表面，产生的原因有二：一是拉力造成主价键从分子水平看，出现裂纹必然产生新表面，产生的原因有二：一是拉力造成主价键 破坏，使分子链断裂；二是剪切造成次价键破坏，分子链发生相对滑移。破坏，使分子链断裂；二是剪切造成次价键破坏，分子链发生相对滑移。 1 1，某分子链处于高应力状态；，某分子链处于高应力状态；2，链断裂，形成链端自由基；，链断裂，形成链端自由基；3，

29、自由基反应，形成主链自由基；，自由基反应，形成主链自由基； 4，带自由基的主链断裂，继续反应；，带自由基的主链断裂，继续反应；5，多次重复，形成一个亚微观裂纹，多次重复，形成一个亚微观裂纹 链端自由基；链端自由基；主链自由基；主链自由基；稳定的端基稳定的端基 图图7-16 7-16 ZhurkovZhurkov力化学力化学 反应模型反应模型 223 断裂的分子理论断裂的分子理论 231 理论强度和实际强度理论强度和实际强度 对碳链聚合物，已知对碳链聚合物，已知CC键能约为键能约为350kJmol-1，相当于每键的键能为，相当于每键的键能为56x10 19J。 。 这些能量可近似看作为克服成键的

30、原子引力这些能量可近似看作为克服成键的原子引力 ，将两个，将两个C原子分离到键长的距离原子分离到键长的距离 所所 做的功做的功 。CC键长键长 ，由此算出一个共价键力，由此算出一个共价键力 为为 f d Wnmd154. 0 N d W f 9 1043 （7-9） 由由X射线衍射实验测材料的晶胞参数，可求得大分子链横截面积。如求得聚乙烯射线衍射实验测材料的晶胞参数，可求得大分子链横截面积。如求得聚乙烯 分子链横截面为分子链横截面为 ，由此得到高分子材料的理论强度为：，由此得到高分子材料的理论强度为： 220 0 1020mS 理论强度是人们从化学结构可能期望的材料极限强度，由于高分子材料的破

31、理论强度是人们从化学结构可能期望的材料极限强度，由于高分子材料的破 坏是由化学键断裂引起的，因此可从拉断化学键所需作的功计算其理论强度。坏是由化学键断裂引起的，因此可从拉断化学键所需作的功计算其理论强度。 实际上高分子材料的强度比理论强度小得多，仅为几个到几十个实际上高分子材料的强度比理论强度小得多，仅为几个到几十个MPa。 MPa theo 4 . 10)25 . 1 ( 23 高分子材料的强度高分子材料的强度 1）分子量的影响）分子量的影响 分子量是对高分子材料力学性能分子量是对高分子材料力学性能 （包括强度、弹性、韧性）起决定（包括强度、弹性、韧性）起决定 性作用的结构参数。低分子有机化

32、性作用的结构参数。低分子有机化 合物一般没有力学强度，高分子材合物一般没有力学强度，高分子材 料要获得强度，必须具有一定聚合料要获得强度，必须具有一定聚合 度，使分子间作用力足够大才行。度，使分子间作用力足够大才行。 图图6-29 PS、HDPE和和LDPE的拉伸强度与的拉伸强度与 分子量的关系分子量的关系 超过最低聚合度后，随分子量增大材料超过最低聚合度后，随分子量增大材料 强度逐步增大。但当分子量相当大，致强度逐步增大。但当分子量相当大，致 使分子间次价键作用的总和超过了主链使分子间次价键作用的总和超过了主链 化学键能时，材料强度将主要取决于化化学键能时，材料强度将主要取决于化 学键能的大

33、小，这时强度不再依赖分子学键能的大小，这时强度不再依赖分子 量而变化量而变化。 另外，分子量分布对材料强度的影响不大。另外，分子量分布对材料强度的影响不大。 232 影响断裂强度的因素影响断裂强度的因素 2）分子链结构的影响）分子链结构的影响 从主链结构看，含芳杂环结构的材料强度和模量要高于脂肪族主链材料。从主链结构看，含芳杂环结构的材料强度和模量要高于脂肪族主链材料。 OCCONHNH n 芳香尼龙芳香尼龙 NH CH2 CO 5 尼龙尼龙 -6 从分子间相互作用看，极性聚合物及容易产生分子间或分子内氢键的聚合物，从分子间相互作用看，极性聚合物及容易产生分子间或分子内氢键的聚合物， 力学强度

34、较高。力学强度较高。 分子量相当时，支化聚合物力学强度比线形聚合物低。分子量相当时，支化聚合物力学强度比线形聚合物低。 聚氯乙烯：聚氯乙烯：4050MPa 聚乙烯：聚乙烯：1530MPa 如支化的如支化的LDPE的拉伸强度低于线形的的拉伸强度低于线形的HDPE 3）结晶及取向的影响）结晶及取向的影响 表表7-2 聚乙烯的断裂性能与结晶度的关系聚乙烯的断裂性能与结晶度的关系 MPa 结晶度结晶度 / 65758595 断裂强度断裂强度 /14.4182540 断裂伸长率断裂伸长率 / 50030010020 一般影响规律是：一般影响规律是： 1 1、随着结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度

35、、弹性模量均提、随着结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹性模量均提 高，但断裂伸长率和韧性下降。这是由于结晶使分子链排列紧密有序，孔高，但断裂伸长率和韧性下降。这是由于结晶使分子链排列紧密有序，孔 隙率低，分子间作用增强所致。隙率低，分子间作用增强所致。 2 2、晶粒尺寸和晶体结构对材料强度的影响更大。均匀小球晶能使材料的强、晶粒尺寸和晶体结构对材料强度的影响更大。均匀小球晶能使材料的强 度、伸长率、模量和韧性得到提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降。度、伸长率、模量和韧性得到提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降。 3 3、晶体形态对聚合物拉伸强度的影响规律是，同一聚合物，伸直链晶体

36、的、晶体形态对聚合物拉伸强度的影响规律是，同一聚合物，伸直链晶体的 拉伸强度最大，串晶次之，球晶最小。拉伸强度最大，串晶次之，球晶最小。 4）交联的影响）交联的影响 随交联程度提高，橡胶材料的随交联程度提高，橡胶材料的 拉伸模量和强度都大大提高，达拉伸模量和强度都大大提高，达 到极值强度后，又趋于下降；断到极值强度后，又趋于下降；断 裂伸长率则连续下降。裂伸长率则连续下降。 热固性树脂，由于分子量很低，热固性树脂，由于分子量很低， 如果不进行交联，几乎没有强度如果不进行交联，几乎没有强度 （液态）。固化以后，分子间形（液态）。固化以后，分子间形 成密集的化学交联，使断裂强度成密集的化学交联，使

37、断裂强度 大幅度提高。大幅度提高。 图图6-20 橡胶的拉伸强度与交联剂用量的橡胶的拉伸强度与交联剂用量的 关系关系 适度交联对于弹性体及热固性树脂力学性能的提高至关重要。对于大多数适度交联对于弹性体及热固性树脂力学性能的提高至关重要。对于大多数 弹性体而言，交联是加工成型工艺中的关键步骤。通过交联使分子链联结弹性体而言，交联是加工成型工艺中的关键步骤。通过交联使分子链联结 成网，既增大分子量，又增强分子链间相互作用，使材料拉伸性能、弹性、成网，既增大分子量，又增强分子链间相互作用，使材料拉伸性能、弹性、 抗蠕变能力大大提高。抗蠕变能力大大提高。 5）温度与形变速率的影响温度与形变速率的影响

38、图图7-5 断裂强度断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势和屈服强度随温度的变化趋势 虚线虚线高拉伸速率高拉伸速率 实线实线低拉伸速率低拉伸速率 图图7-6 断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势 实线低环境温度 虚线高环境温度 对屈服强度的影响更大一些。对屈服强度的影响更大一些。 241 粉料填充增强粉料填充增强 粉状填料的增强效果主要取决于填料的种类、尺寸、用量、表面性质以及粉状填料的增强效果主要取决于填料的种类、尺寸、用量、表面性质以及 填料在高分子基材中的分散状况。按性能分粉状填料可分为活性填料和惰填料在高分子基材中的分散状况。按性能分粉状填料可分为活

39、性填料和惰 性填料两类；按尺寸分有微米级填料、纳米级填料等。性填料两类；按尺寸分有微米级填料、纳米级填料等。 炭黑增强橡胶是最突出的粉状填料增强聚合物材料的例子。炭黑是典型炭黑增强橡胶是最突出的粉状填料增强聚合物材料的例子。炭黑是典型 活性填料，尺寸在亚微米级，增强效果十分显著。活性填料，尺寸在亚微米级，增强效果十分显著。 橡胶橡胶拉伸强度拉伸强度 / MPa增强倍数增强倍数 纯胶纯胶含炭黑橡胶含炭黑橡胶 非结晶型非结晶型 硅橡胶硅橡胶 0.3413.740 丁苯橡胶丁苯橡胶1.9619.010 丁腈橡胶丁腈橡胶1.9619.610 结晶型结晶型 天然橡胶天然橡胶19.031.41.6 氯丁橡

40、胶氯丁橡胶14.725.01.7 丁基橡胶丁基橡胶17.618.61.1 炭黑炭黑 表表7-4 几种橡胶采用炭黑增强的效果对比几种橡胶采用炭黑增强的效果对比 白炭黑补强白炭黑补强 24 高分子材料的增强改性高分子材料的增强改性 碳酸钙、滑石粉、陶土以及各种金属或金属氧化物粉末属于惰性填料。对碳酸钙、滑石粉、陶土以及各种金属或金属氧化物粉末属于惰性填料。对 于惰性填料，需要经过化学改性赋予粒子表面一定的活性，才具有增强作于惰性填料，需要经过化学改性赋予粒子表面一定的活性，才具有增强作 用。例如用表面活性物质如脂肪酸、树脂酸处理，或用钛酸酯、硅烷等偶用。例如用表面活性物质如脂肪酸、树脂酸处理，或用

41、钛酸酯、硅烷等偶 联剂处理，或在填料粒子表面化学接枝大分子等都有很好的效果。联剂处理，或在填料粒子表面化学接枝大分子等都有很好的效果。 图图7-22 粉状填料经硬脂酸处理填充粉状填料经硬脂酸处理填充 HDPE的的SEM图图 上图：硬脂酸用量上图：硬脂酸用量0.9% 下图：下图：1.5% 惰性填料惰性填料 纤维增强塑料是利用纤维的高强度、高模量、尺寸稳定性和树脂的低密纤维增强塑料是利用纤维的高强度、高模量、尺寸稳定性和树脂的低密 度、强韧性设计制备的一种复合材料。两者取长补短，复合的同时既克服度、强韧性设计制备的一种复合材料。两者取长补短，复合的同时既克服 了纤维的脆性，也提高了树脂基体的强度、

42、刚性、耐蠕变和耐热性。了纤维的脆性，也提高了树脂基体的强度、刚性、耐蠕变和耐热性。 常用的纤维材料常用的纤维材料 玻璃纤维玻璃纤维 碳纤维碳纤维 硼纤维硼纤维 天然纤维天然纤维 基体材料基体材料 热固性树脂热固性树脂 热塑性树脂热塑性树脂 橡胶类材料橡胶类材料 242 纤维复合增强纤维复合增强 基于上述机理也可得知，在基体中，即使纤维都已断裂，或者直接在基基于上述机理也可得知，在基体中，即使纤维都已断裂，或者直接在基 体中加入经过表面处理的短纤维，只要纤维具有一定的长径比，使复合作体中加入经过表面处理的短纤维，只要纤维具有一定的长径比，使复合作 用有效，仍可以达到增强效果。实际上短纤维增强塑料

43、、橡胶的技术都有用有效，仍可以达到增强效果。实际上短纤维增强塑料、橡胶的技术都有 很好的发展，部分已应用于生产实践。很好的发展，部分已应用于生产实践。 按复合作用原理，短纤维的临界长度按复合作用原理，短纤维的临界长度L Lc c可按下式计算：可按下式计算： ym yf c dL , , 2 式中为式中为 纤维的拉伸屈服应力，纤维的拉伸屈服应力， 为基体的剪切屈服应力，为基体的剪切屈服应力，d 为为 纤维直径。纤维直径。 yf , ym, 243 纳米复合材料和分子复合材料纳米复合材料和分子复合材料 略略 短纤维增强短纤维增强 第第4节节 高分子材料的抗冲击性能和增韧改性高分子材料的抗冲击性能和

44、增韧改性 41 抗冲击强度抗冲击强度 抗冲击强度抗冲击强度 的测定方法的测定方法 高速拉伸试验高速拉伸试验 落锤式冲击试验落锤式冲击试验 摆锤式冲击试验摆锤式冲击试验 悬臂梁式（悬臂梁式（Izod） 简支梁式（简支梁式（Charpy） 411 抗冲击强度定义及物理意义抗冲击强度定义及物理意义 抗冲击强度（抗冲击强度（impact strength）定义为标准试样在高速冲击作用下发生断裂时，）定义为标准试样在高速冲击作用下发生断裂时， 单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。 冲击破坏过程虽然很快，冲击破坏过程虽然很快， 但根据破坏原理也可分为三但

45、根据破坏原理也可分为三 个阶段：一是裂纹引发阶段，个阶段：一是裂纹引发阶段， 二是裂纹扩展阶段，三是断二是裂纹扩展阶段，三是断 裂阶段。裂阶段。 图图7-30 冲击冲击实验中材料受力及屈挠关系曲线实验中材料受力及屈挠关系曲线 曲线下面积：白亮区域裂纹引发能 阴影区域裂纹扩展能 412 冲击破坏过程分析冲击破坏过程分析 从微观来看，裂纹引发时一定有从微观来看，裂纹引发时一定有 主链发生断裂，因此主链发生断裂，因此主链化学键主链化学键 键能的大小键能的大小决定着裂纹引发能的决定着裂纹引发能的 大小。裂纹扩展能的大小则与裂大小。裂纹扩展能的大小则与裂 纹尖端区的形变性质有关。纹尖端区的形变性质有关。

46、 4 42 2 影响抗冲击性能的因素影响抗冲击性能的因素 421 分子链结构的影响分子链结构的影响 除分子链化学键强度外，分子链柔顺性对抗冲击性能也有较大影响。除分子链化学键强度外，分子链柔顺性对抗冲击性能也有较大影响。 一般来说分子链柔性大的材料抗冲击性能较好，而刚性链聚合物较差。一般来说分子链柔性大的材料抗冲击性能较好，而刚性链聚合物较差。 在特定场合，尺寸小于链段的次级结构运动状态的变化也对抗冲击韧在特定场合，尺寸小于链段的次级结构运动状态的变化也对抗冲击韧 性有影响。性有影响。 次级转变和低温抗冲性次级转变和低温抗冲性 分子量的影响。分子量的影响。 分子量小时，随分子量增大，抗冲击强度

47、提高；分子量足够高时，抗冲击强度分子量小时，随分子量增大，抗冲击强度提高；分子量足够高时，抗冲击强度 基本与分子量无关。基本与分子量无关。 422 结晶、取向的影响结晶、取向的影响 对聚乙烯、聚丙烯等高结晶度材料，当结晶度为对聚乙烯、聚丙烯等高结晶度材料，当结晶度为40-60%时，由于时，由于 材料拉伸时有屈服发生且断裂伸长率高，韧性很好。结晶度再增高，材料拉伸时有屈服发生且断裂伸长率高，韧性很好。结晶度再增高， 材料变硬变脆，抗冲击韧性反而下降。这是由于结晶使分子间相互作材料变硬变脆，抗冲击韧性反而下降。这是由于结晶使分子间相互作 用增强，链段运动能力减弱，受到外来冲击时，材料形变能力减少，

48、用增强，链段运动能力减弱，受到外来冲击时，材料形变能力减少， 因而抗冲击韧性变差。因而抗冲击韧性变差。 从结晶形态看，具有均匀小球晶的材料抗冲击韧性好，而大球晶韧从结晶形态看，具有均匀小球晶的材料抗冲击韧性好，而大球晶韧 性差。球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材料受冲击性差。球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材料受冲击 力时易在薄弱环节破裂。力时易在薄弱环节破裂。 对取向材料，当冲击力与取向方向平行，冲击强度因取向而提高，若对取向材料，当冲击力与取向方向平行，冲击强度因取向而提高，若 冲击力与取向方向垂直，冲击强度下降。由于实际材料总是在最薄弱处冲击力与取向方向垂直，冲击

49、强度下降。由于实际材料总是在最薄弱处 首先破坏，因此取向对材料的抗冲击性能一般是不利的首先破坏，因此取向对材料的抗冲击性能一般是不利的 结晶度结晶度 晶体形态晶体形态 取向取向 温度升高，材料抗冲击温度升高，材料抗冲击 强度随之增大。对无定形强度随之增大。对无定形 聚合物，当温度升高到玻聚合物，当温度升高到玻 璃化温度附近或更高时，璃化温度附近或更高时， 抗冲击强度急剧增大。抗冲击强度急剧增大。 对结晶性聚合物，其玻璃化对结晶性聚合物，其玻璃化 温度以上的抗冲击强度也比玻温度以上的抗冲击强度也比玻 璃化温度以下的高，这是因为璃化温度以下的高，这是因为 在玻璃化温度附近时，链段运在玻璃化温度附近

50、时，链段运 动释放，分子运动加剧，使应动释放，分子运动加剧，使应 力集中效应减缓，部分能量会力集中效应减缓，部分能量会 由于材料的力学损耗作用以热由于材料的力学损耗作用以热 的形式逸散。的形式逸散。图图7-33 几种聚丙烯试样抗冲强度随温度几种聚丙烯试样抗冲强度随温度 的变化的变化 423 温度的影响温度的影响 采用丁二烯与苯乙烯共采用丁二烯与苯乙烯共 聚得到高抗冲聚苯乙烯；聚得到高抗冲聚苯乙烯； 采用氯化聚乙烯与聚氯乙采用氯化聚乙烯与聚氯乙 烯共混得到硬聚氯乙烯韧烯共混得到硬聚氯乙烯韧 性体，都将使基体的抗冲性体，都将使基体的抗冲 强度提高几倍至几十倍。强度提高几倍至几十倍。 橡胶增韧塑料已

51、发展为橡胶增韧塑料已发展为 十分成熟的塑料增韧技术，十分成熟的塑料增韧技术， 由此开发出一大批新型材由此开发出一大批新型材 料，产生巨大经济效益。料，产生巨大经济效益。 图图7-35 CPE用量对用量对PVC/CPE共混物力学共混物力学 性能的影响性能的影响 共聚、共混改性效果共聚、共混改性效果 实验发现，采用与橡胶类材料嵌段共聚、接枝共聚或物理共混的方法实验发现，采用与橡胶类材料嵌段共聚、接枝共聚或物理共混的方法 可以大幅度改善脆性塑料的抗冲击性能。可以大幅度改善脆性塑料的抗冲击性能。 424 共混，共聚，填充的影响共混，共聚，填充的影响 431 橡胶增韧塑料的经典机理橡胶增韧塑料的经典机理 微裂纹理论（微裂纹理论（E M Mertz，1956年）年） 多重银纹理论（多重银纹理论（C B Bucknall和和R R Smith，1965年）年） 剪切屈服理论（剪切屈服理论（S Newman，1965年）年） 空穴化理论（空穴化理论（R A Pearson，1986年）年） 银纹银纹-剪切带理论（剪切带理论（craze -shear banding theory），）