高分子材料的性能特点

1、 2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 物质的物理状态物质的物理状态 相相 态态 凝胶态凝胶态 热力学概念热力学概念 动力学概念动力学概念 凝胶态凝胶态 根据物质根据物质对对外场外场（外部作用）特别是外力场（外部作用）特别是外力场 的响应特性的响应特性划分。划分。 按物质按物质力学性能力学性能随随温度温度变化的特性划分。变化的特性划分。 力学状态力学状态 2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 物质的力学三态物质的力学三态 气气态态 液液态态 固固态态 温度增加温度增加 聚合物力学状态具有特殊性。原因：聚合物力学状态具有特殊性。原因： 没有气态；没有气态； 具有非晶态具有

2、非晶态； 结晶具有不完善性。结晶具有不完善性。 热机械曲线热机械曲线（形变（形变- -温度曲线）实验示意温度曲线）实验示意 2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 等速升温等速升温 线型无定形线型无定形聚合物的力学三态及其转变聚合物的力学三态及其转变 2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 线形无定形聚合物的力学三态：线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态玻璃态、高弹态高弹态、粘流态粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（玻璃化转变温（Tg ）；）； 高弹态和粘流态之间的转变温度：高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（粘流温度（Tf） 图图

3、2.1 线型无定形高聚物热机械曲线线型无定形高聚物热机械曲线 玻璃态玻璃态 T40% 晶区互相衔接，晶区互相衔接，贯穿成连续相贯穿成连续相。观察不到明显的。观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象。非晶区玻璃化转变现象。 2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 图图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线高结晶度聚合物的热机械曲线 不呈现高弹态不呈现高弹态 呈现高弹态呈现高弹态 结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩聚合物的摩 尔平均质量尔平均质量。 问题：问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？交联、网状聚合物是否有粘流态？ Cross-linked 交联

4、交联 Network（3D） 网状网状 答案：答案：不出现粘流态。不出现粘流态。 2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 玻璃化转变玻璃化转变现象及现象及Tg的重要性的重要性 2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 玻璃化转变是高聚物的一种玻璃化转变是高聚物的一种普遍现象普遍现象。 发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能改变材料的使用性能： TTg 时高聚物处于高弹态（弹性体）时高聚物处于高弹态（弹性体） TTg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维） Tg是决定材料

5、使用范围的重要参数：是决定材料使用范围的重要参数： Tg 是橡胶的最低使用温度是橡胶的最低使用温度 Tg 是塑料的最高使用温度是塑料的最高使用温度 自由体积理论自由体积理论 表征材料力学性能的基本指标表征材料力学性能的基本指标 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 应力应力- -应变应变 弹性模量弹性模量 - - 拉伸（杨氏）模量拉伸（杨氏）模量 剪切（刚性）模量剪切（刚性）模量 体积（本体）模量体积（本体）模量 硬度硬度 机械强度机械强度 - - 拉伸（抗张）强度拉伸（抗张）强度 弯曲强度弯曲强度 冲击强度冲击强度 应力应力-应变应变 应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时应变

6、（形变）：外力作用而不产生惯性移动时其其 几何形状几何形状和和尺寸尺寸所发生的变化。所发生的变化。 材料材料 发生形变发生形变 产生附加内力产生附加内力 内力使形变回复并自行逐步消除内力使形变回复并自行逐步消除 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 应力：单位面积上的应力：单位面积上的内力内力。 外力作外力作 用用 材料材料欲保持欲保持原原 状状 外力外力卸载卸载 简单拉伸示意图简单拉伸示意图 产生的形变产生的形变-拉伸形变拉伸形变/相对伸长率相对伸长率 A0 l0 l D D l A F F A0 F F 简单剪切示意图简单剪切示意图 剪切应力、剪切应变剪切应力、剪切应变 材料受

7、力方式的基本类型材料受力方式的基本类型 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 A0 F F 三点弯曲三点弯曲一点弯曲一点弯曲 F F 扭转扭转 均匀压缩均匀压缩 体积形变体积形变 压缩应变压缩应变 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 电子万能材料试验机电子万能材料试验机 实验条件：一定拉伸速率和温度实验条件：一定拉伸速率和温度 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 应力应力-应变曲线应变曲线 标准哑标准哑 铃型试铃型试 样样 图图2.3 高分子材料三种典型的应力高分子材料三种典型的应力-应变曲线应变曲线 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 A

8、 A E D D A Y B Yielding point 屈服点屈服点 Point of elastic limit 弹性极限点弹性极限点 Breaking point 断裂点断裂点 A B A Y B Strain softening 应变软化应变软化 plastic deformation 塑性形变塑性形变 Strain hardening 应变硬化应变硬化 y y O N D 图图2.4 非晶态聚合物的应力非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）应变曲线（玻璃态） 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 序号序号12345 类型

9、类型硬而脆硬而脆硬而强硬而强强而韧强而韧软而韧软而韧软而弱软而弱 曲线曲线 模量模量高高高高高高低低低低 拉伸强度拉伸强度中中高高高高中中低低 断裂伸长率断裂伸长率小小中中大大很大很大中中 断裂能断裂能小小中中大大大大小小 实例实例 PS PMMA 酚醛树脂酚醛树脂 硬硬PVC 增韧增韧EP PC ABS HDPE 硫化橡胶硫化橡胶 软软PVC 未硫化橡胶未硫化橡胶 齐聚物齐聚物 软软硬：模量硬：模量强强弱：拉伸强度弱：拉伸强度韧韧脆：断裂能脆：断裂能 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 高弹性高弹性 高弹性的特点：高弹性的特点： 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能

10、 聚合物（在聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特以上）处于高弹态时所表现出的独特 的力学性质，又称橡胶弹性。的力学性质，又称橡胶弹性。 高弹态高弹态聚合物最重要的力学聚合物最重要的力学 性能性能 弹性模量小；弹性模量小； 橡胶橡胶: 0.2-8 MPa 钢：钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa 形变量一般形变量一般500%，可达，可达1000%。普通金属材料的形。普通金属材料的形 变量变量1 形变量很大；形变量很大； 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性 高

11、弹形变时分子运动需要时间高弹形变时分子运动需要时间 形变过程有明显的热效应形变过程有明显的热效应 弹性体：拉伸弹性体：拉伸放热放热 回缩回缩吸热吸热 温度温度 ，链段运动加剧，回缩力，链段运动加剧，回缩力 ，维持相同形变所需，维持相同形变所需 的作用力的作用力 抵抗变形的能力升高。抵抗变形的能力升高。 温度温度升高，升高，弹性模量弹性模量增大增大 ； 高弹性的本质高弹性的本质 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 高弹性由熵变引起高弹性由熵变引起 拉伸弹性体时外力所做的功拉伸弹性体时外力所做的功 主要转为高分子链构象熵的减小主要转为高分子链构象熵的减小 体系为热力学不稳定状态体系为

12、热力学不稳定状态 去除外力体系回复到初始状态去除外力体系回复到初始状态 热力学第一定热力学第一定 律律 热力学第二定热力学第二定 律律 熵弹性熵弹性 粘弹性粘弹性 外力作用时，同时发生外力作用时，同时发生高弹变形高弹变形和和粘性流动粘性流动。 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 聚合物最重要的力学性能聚合物最重要的力学性能 之一之一 Figure 2.5 Various types of strain response to an imposed stress. 静态粘弹性静态粘弹性 动态粘弹性动态粘弹性 蠕变蠕变 应力松弛应力松弛 聚合物粘弹性聚合物粘弹性 ：温度、应力一定，随

13、时温度、应力一定，随时 间的延长形变增加。间的延长形变增加。 ：温度、形变一定，应力温度、形变一定，应力 随时间延长而减小随时间延长而减小。 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 F 力学松弛力学松弛 行为行为 滞后滞后 力学损耗（内耗）力学损耗（内耗） 自学自学 图图2.6 蠕变、应力松弛示意图蠕变、应力松弛示意图. 蠕变过程包括蠕变过程包括 三种形变三种形变 图图2-6 线形非晶态聚合物线形非晶态聚合物 的的蠕变及回复曲线蠕变及回复曲线 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 普弹普弹形变形变1 运动单元：键长、键角运动单元：键长、键角 形变特点：形变量小，与时间无关

14、，形变形变特点：形变量小，与时间无关，形变 可完全回复可完全回复 高弹高弹形变形变2 运动单元：链段运动单元：链段 形变特点：形变量大，与时间有关，可逐形变特点：形变量大，与时间有关，可逐 渐回复渐回复 粘性粘性流动流动3 运动单元：分子链运动单元：分子链 形变特点：不可逆形变形变特点：不可逆形变 2+ 3 t 3 3 1 2 1 提提高材料抗蠕变性能的途径高材料抗蠕变性能的途径: : 蠕变大小反映了材料尺寸的蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性稳定性和和长期负载能力长期负载能力。 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 a. a. 聚合物玻璃化温度高于聚合物玻璃化温度高于室温室温； b.

15、 b. 聚合物分子链含有苯环等聚合物分子链含有苯环等刚性链刚性链； c.c.交联交联: :可以防止分子间的相对滑移。可以防止分子间的相对滑移。 高分子材料的高分子材料的力学性能特点力学性能特点 强度低，强度低，比强度高比强度高; 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 高弹性高弹性，弹性模量低弹性模量低; 橡胶橡胶 典型的高弹性材料：弹性变形率为典型的高弹性材料：弹性变形率为100%1000% 弹性模量仅为弹性模量仅为1MPa 高耐磨性高耐磨性； 塑料的摩擦系数小，有些塑料具有自润滑性能。塑料的摩擦系数小，有些塑料具有自润滑性能。 具有具有粘弹性粘弹性 2.2 高分子材料的力学性能高

16、分子材料的力学性能 材材 料料 名名 称称比比 重重拉伸强度（拉伸强度（MPa）比比 强强 度度 高级合金钢高级合金钢8.01280160 铝合金铝合金2.8420160 铸铁铸铁7.424032 聚乙烯聚乙烯0.953031.6 尼龙尼龙661.128374.1 玻璃增强尼龙玻璃增强尼龙661.31.598218143 环氧玻璃钢环氧玻璃钢1.73500280 玻璃增强聚乙烯玻璃增强聚乙烯1.16357.3 表表2.1 几种材料的几种材料的机械强度机械强度 聚合物高电阻率聚合物高电阻率 可能积累大量静电荷可能积累大量静电荷 高绝缘性；高绝缘性； 低耐热性；低耐热性；通用高分子材料的耐热温度通

17、用高分子材料的耐热温度 200 低导热性：低导热性：金属的金属的1/500-1/600 高化学稳定性；高化学稳定性； 高热膨胀性：高热膨胀性：比金属大比金属大3-10倍倍 2.3 高分子材料的物化性能特点高分子材料的物化性能特点 较易老化。较易老化。 高分子材料在贮存、使用过程中，由于自身结构，高分子材料在贮存、使用过程中，由于自身结构， 或受或受光，热，氧，机械力、生物侵蚀等光，热，氧，机械力、生物侵蚀等影响，性能影响，性能 逐渐变坏，直至丧失使用价值的现象。逐渐变坏，直至丧失使用价值的现象。 2.3 高分子材料的性能特点高分子材料的性能特点 防止老化措施：防止老化措施： 改变自身结构；改变自身结构； 加入防老化剂；加入防老化剂； 表面处理：镀金属或涂抗老化涂料。表面处理：镀金属或涂抗老化涂料。 作业：作业： 一、名词术语解释一、名词术语解释 1 1、结晶度、结晶度 2 2、玻璃化转变温度（、玻璃化转变温度（T Tg g） 3 3、粘流温度（、粘流温度（T Tf f） 4 4、应变、应变 5 5、蠕变、蠕变 二、简答二、简答