第4章1高分子的力学状态

1、第四章高分子材料的主要物理性能,1、热性能2、高弹性和粘弹性3、力学性能4、溶液性质5、流变性质6、电学性能,结构决定性能,为什么要学习高分子的运动？,4.1.1高分子的运动,高分子运动的特点：,I.运动单元和模式的多重性II.分子运动的时间依赖性III.分子运动的温度依赖性,运动单元多重性：侧基、支链、链节、链段、分子运动形式多重性：振动、转动、蠕动,2时间依赖性,物质从一种平衡状态,与外界条件相适应的另一种平衡状态,外场作用下,通过分子运动,低分子是瞬变过程,（10-910-10秒）,高分子是松弛过程,需要时间（10-110+4秒）,各种运动单元的运动需要克服内摩擦阻力，不可能瞬时完成。,

2、运动单元多重性：键长、键角、侧基、支链、链节、链段、分子链,升高温度可使松弛时间变短升温与延长观察时间是等效的（时温等效）,松弛所需的活化能,3.分子运动的温度依赖性,高分子材料的力学状态,物质的物理状态,相态,凝聚态,热力学概念,动力学概念,凝聚态,根据物质对外场（外部作用）特别是外力场的响应特性划分。,按物质力学性能随温度变化的特性划分。,力学状态,高分子材料的力学状态,物质的力学三态,气态液态固态,温度增加,聚合物力学状态具有特殊性。原因：没有气态；具有非晶态；结晶具有不完善性。,4.1.2高分子材料的力学状态,热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意,热机曲线,等速升温,线型无定形聚合物的

3、力学三态及其转变,1.非晶态线型高分子材料的力学状态,形变温度（-T）曲线,三种力学状态,I、玻璃态（以下，质硬而脆）II、高弹态（，质软而有弹性）III、粘流态（以上，流动状）,两个力学状态转变区,I、玻璃态高弹态玻璃化温度II、高弹态粘流态粘流温度,玻璃化转变区,粘流转变区,玻璃化转变现象及Tg的重要性,玻璃化转变是高聚物的一种普遍现象。,发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全改变材料的使用性能：TTg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）,Tg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Tg是塑料的最高使用温度,从分子运动的观点解释力学状

4、态,非晶态高聚物的力学状态转变,轻度结晶聚合物温度-形变曲线,2.结晶高分子材料的力学状态,Applicationsofthethreestates,高结晶高分子材料的力学状态,由于晶格的束缚，在熔点Tm以下时，结晶高聚物只能处于柔韧状态。如分子量不大，加热到Tm后直接产生流动而进入粘流态；分子量大时，则要经过一个小的高弹形变区，最后进入粘流态。,问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？,Cross-linked交联,Network（3D）网状,答案：不出现粘流态。,高分子材料的力学状态,(3)高度交联物,(1)轻度交联物,(2)随交联度增高，Tg升高,3.体型高聚物的-T曲线,形变温度曲线的总结

5、,高分子材料的热行为耐热性和耐寒性,Tg和Tm是无定型高聚物和结晶高聚物的主要热转变温度，也是衡量聚合物耐热性的重要指标。,4.2高分子材料的力学性能,表4.1几种材料的机械强度,表征材料力学性能的基本指标,4.2高分子材料的力学性能,应力-应变,弹性模量-拉伸（杨氏）模量剪切（刚性）模量体积（本体）模量,硬度,机械强度-拉伸（抗张）强度弯曲强度冲击强度,应力-应变,应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时其几何形状和尺寸所发生的变化。,材料发生形变产生附加内力内力使形变回复并自行逐步消除,应力：单位面积上的内力。,外力作用,材料欲保持原状,外力卸载,简单拉伸示意图产生的形变-拉伸形变/相对伸

6、长率,A0,l0,l,Dl,A,F,F,A0,F,F,简单剪切示意图剪切应力、剪切应变,材料受力方式的基本类型,A0,F,F,三点弯曲,一点弯曲,扭转,均匀压缩体积形变压缩应变,电子万能材料试验机,实验条件：一定拉伸速率和温度,应力-应变曲线Stress-straincurve,标准哑铃型试样,高分子材料三种典型的应力-应变曲线,A,Y,B,Yieldingpoint屈服点,Pointofelasticlimit弹性极限点,Breakingpoint断裂点,Strainsoftening应变软化,plasticdeformation塑性形变,Strainhardening应变硬化,y,O,N,

7、D,图非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）,1.非晶聚合物,软硬：模量,强弱：拉伸强度,韧脆：断裂能,实际材料的应力应变曲线,结晶聚合物的应力应变曲线,OA-普弹形变YN屈服，缩颈（应变变大，应力下降）ND强迫高弹形变DB-细颈化试样重新被均匀拉伸，应变随应力增加应变硬化,2、结晶聚合物,结晶聚合物应力应变,球晶拉伸形变时内部晶片变化示意图,结晶高聚物冷拉过程中晶片和分子链取向排列图,4.3增强改性,除增强材料本身应具有较高力学强度外，增强材料的均匀分散、取向以及增强材料与聚合物基体的良好界面亲和也是提高增强改性效果的重要措施。,改性的基本思想是用填充、混合、复合等方法，将增强材料加入到聚合

8、物基体中，提高材料的力学强度或其它性能。,化学交联与物理交联示意图上图：化学交联下图：物理吸附,1、粉状填料增强,增强原理：活性填料碳黑粒子的表面（羧基、酚基、醌基）同聚合物作用产生了附加的交联结构,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，才具有增强作用。,粉状填料经硬脂酸处理填充HDPE的SEM图上图：硬脂酸用量0.9%下图：1.5%,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。,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。,2、纤维增强,纤维状填料：棉，麻，丝，等天然纤维，玻璃纤维，碳纤维，石墨纤维，硼纤维，超细金属纤维与晶须纤维等基体：热塑性树脂、热固性树脂、橡胶类,增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷,界面的黏附性,冲击强度:试样在受到冲击载荷