第十章高聚物的力学性质

第十章高聚物的力学性质玻璃态和结晶态高聚物的力学性质高弹态高聚物的力学性质高聚物的力学松弛——粘弹性1

玻璃态和结晶态高聚物的力学性质基本物理量

1）应力当材料受到外力作用平衡时，附加内力和外力相等，单位面积上的附加内力（外力）称为应力。

2）应变当材料受到外力作用而所处的条件却使其不能产生惯性位移，材料的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化就称为应变。牛顿/米2

、Pa、达因/厘米2等3）弹性模量对于理想的弹性固体，应力和应变服从虎克定律，即应力和应变成正比，比例常数称为弹性模量。材料抵抗变形能力的大小、模量越大，越不易变形，表示材料的刚度越大。2三种基本的应变类型1）简单拉伸——相对应的模量为杨氏模量E

材料受到的外力是垂直于截面积的，大小相等，方向相反，作用在一条直线上的力。拉伸应变：习用应力：真应力：真应变：32）简单剪切——相对应的模量为剪切模量G材料受到的力与截面平行，但不在同一直线上，大小相等、方向相反。43）均匀压缩——相对应的模量为体积模量B材料受到周围压力P的作用，发生体积变形。对于各向同性材料：为泊松比（定义：在拉伸实验中，材料横向单位宽度的减小与纵向单位长度的增加之比值。5理想不可压缩体变形时，体积不变。大多数材料在变形时，有体积变化，拉伸时发生膨胀。泊松比0.2-0.5橡胶和小分子液体的泊松比接近0.5。理论上泊松比的范围为0-0.5，B的变化范围E/3—G的变化范围E/2—E/3对于各向异性的材料，情况复杂，在此不讨论。6常用的力学性能指标拉伸强度在规定试验温度、湿度和试验速度下，在标准样上沿轴向施加拉伸载荷，直至拉断为止，断裂前试样所承受的最大载荷P与试样的宽度b和厚度d的乘积的比值。硬度衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。冲击强度——衡量材料韧性的一种强度指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力。定义为试样受冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。7几类高聚物的拉伸行为玻璃态高聚物的拉伸屈服应力、断裂应力、断裂伸长率脆性断裂（材料屈服之前发生的断裂）、韧性断裂（材料屈服之后发生的断裂）8玻璃态高聚物的强迫高弹形变结晶高聚物的拉伸强迫高弹形变第一阶段：应力随应变线性增加，试样被均匀地拉长，伸长率为百分之几-十几。出现“细颈”第二阶段：应力-应变曲线表现为应力不变、应变增加第三阶段：成颈后的试样重新被均匀拉伸，应力随应变的增加而增大至断裂点。9影响高聚物强度的因素因素分为两类：一是与材料本身有关的，包括高分子的化学结构、分子量及其分布、支化和交联、结晶与取向、增塑剂、共混、填料、应力集中物等。二是与外界条件有关的，包括温度、湿度、光照、氧化老化、作用力的速度等。10高弹态高聚物的力学性质橡胶的使用温度范围改善高温耐老化性能，提高耐热性降低Tg，避免结晶，改善耐寒性1）改变橡胶的主链结构2）改变取代基的结构11高弹性的特点弹性模量很小、形变量很大形变需要时间——克服分子间的作用力和内摩擦力橡胶受到外力压缩或拉伸时，形变是随时间而发展的，最后达到最大形变，该现象为蠕变。拉紧的橡皮会逐渐变松，这种应力随时间而下降或消失的现象称为应力松弛。

蠕变和应力松弛统称为力学松弛。形变时有热效应——熵减橡胶类物质的形变为高弹形变（常温下橡胶的长链分子处于蜷曲状态）温度升高时，分子链内各部分的热运动比较激烈，回缩性增大，导致橡胶类物质的弹性模量随温度的上升而增加。12高聚物的力学松弛-粘弹性高聚物的力学松弛现象力学松弛：高聚物的力学性质随时间的变化。根据高分子材料受到外部作用的情况不同，可以观察到不同类型的力学松弛现象，最基本的有：蠕变、应力松弛、滞后、力学损耗等。蠕变——指在一定的温度和较小的恒定外力（拉力、压力或扭力等）作用下，材料的形变随时间的增加而逐步增大的现象。包括普弹形变、高弹形变和粘性流动。131415161718应力松弛定义：在恒定温度和应变保持不变的情况下，聚合物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。是起始应力是松弛时间19滞后现象定义：聚合物在交变应力作用下，应变落后于应力的现象。产生滞后的原因：外力作用时，链段运动要受到内摩擦阻力的作用，外力变化时链段运动跟不上外力的变化，ε落后于σ。20力学损耗21粘弹性的力学模型理想弹簧和理想粘壶———组合，模拟高聚物的力学松弛过程。理想弹簧理想粘壶其力学性质服从虎克定律，应力和应变与时间无关。在容器内装有服从牛顿流体定律的液体，应力和应变与时间有关。Maxwell模型对模拟应力松弛过程很有用。还有Kelvin模型等22粘弹性与时间、温度的关系——时温等效原理要使高分子链段产生足够大的活动性才能表现出高弹态形变，需要一定的松弛时间；要使整个高分子链能够移动而表现出粘性流动，也需要一定的松弛时间。当温度升高时，同一个力学行为在较高温度下，在较短时间内看到；也可以在较低温度，较长时间内看到。所以升高温度等效于延长观察时间。对于交变力情况下，降低频率等效于延长观察时间。借助于转换因子可以将在某一温度下测定的力学数据，变成另一温度下的力学数据，这就是时温等效原理。通过不同温度下可以试验测得的力学性质进行比较或换算，得到有些高聚物实际上无