高分子化学高分子物理第9章

1、一、机械性能参数二、塑性与屈服三、强度与破坏第九章 聚合物的机械强度 力学性能是聚合物优异物理性能的基础如：某聚合物磨擦、磨耗性能优良，但力学性能不好，很脆。不能用它作减摩材料。 如：作电线绝缘材料的高分子材料，也要求它们有一定的力学性能：强度和韧性。如果折叠几次就破裂，那么这种材料的电绝缘性虽好，也不能用作电线。 高分子材料具有所有已知材料可变性范围最宽的力学性质，包括从液体、软橡皮到很硬的固体，各种高聚物对于机械应力的反应相差很大，例如：1. PS制品很脆，一敲就碎（脆性）2. 尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性）3. 轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几倍，力解 除后基本恢复原状（弹

2、性）4.胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性）一、机械性能参数1. 广义虎克定律s = Eesxy= syxsyz= szyszx= sxz(sxx, syy, szz, sxy, syz, szx)一、机械性能参数1. 广义虎克定律(x+u, y+v, z+w)z(x+dx+u+du, y+dy+v+dv, z+dz+w+dw)(x, y, z)(x+dx, y+dy, z+dz)yxdu= (u/x)dx (u/y)dy(u/z)dz dv= (v/x)dx (v/y)dy (v/z)dzdw=(w/x)dx(w/y)dy(w/z)dz一、机械性能参数1. 广义虎克定律重组 9 个偏微商参

3、量：切应变(yz平面)gyz= tgq1tgq2= w/yv/z(exx, eyy, ezz, gzx, gyz, gxy)exx=u/xeyy=v/yezz=w/zgzx=u/zw/xgyz=w/yv/zgxy=v/xu/y 2wx=w/yv/z 2wy=u/zw/x 2wz=v/xu/y一、机械性能参数1. 广义虎克定律广义虎克定律：应力分量是各应变分量的线性组合；应变分量是各应力分量的线性组合。共有 36 个柔量常数，但是sij=sji ，独立参数共 21 个。exx= s11sxxs12syys13szzs14szxs15syzs16sxyeyy= s21sxxs22syys23szz

4、s24szxs25syzs26sxyezz= s31sxxs32syys33szzs34szxs35syzs36sxygzx= s41sxxs42syys43szzs44szxs45syzs46sxygyz= s51sxxs52syys53szzs54szxs55syzs56sxygxy= s61sxxs62syys63szzs64szxs65syzs66sxy一、机械性能参数1. 广义虎克定律正交对称材料，选择合适的坐标系，恒有x=x,y=y, z=zEx=1/s11Ey=1/s22 Ez=1/s33Gzx=1/s44 Gyz=1/s55Gxy=1/s66nn=s/s=s/sxy1211xz

5、1311nyx=s12/s22nzx=s13/s33nyz=s23/s22nzy=s23/s339 个独立参量exx=s11sxxs12syys13szzeyy=s12sxxs22syys23szzezz=s13sxxs23syys33szzgzx=s44szxgyz=s55syzgxy=s66sxy一、机械性能参数1. 广义虎克定律单轴取向材料，选择 z 轴为取向方向；等比双轴取向材料，选择 xoy 面为取向面；则，任意旋转 z 轴，应力应变关系不变, 得：s22= s11独立参量减至 5个s55= s44s66=2(s11s12)s23= s13nxy= nyx=s12/s11E = E

6、=1/sG= G=1/sxy11zxyz44nn= n=s/sxzyz1311/sE =1/sG=1/2(ss)z33xy1112= n=szxzy1333一、机械性能参数1. 广义虎克定律单轴取向材料一、机械性能参数1. 广义虎克定律双轴取向材料一、机械性能参数1. 广义虎克定律各向同性材料，任意旋转各坐标轴，应力应变关系均不变, 得：s33= s11独立参量减至 2个E=1/s11s44=s55=s66=2(s11s12)s13= s12n =s12/s11G=1/2(s11s12)三个参量之间满足：E=2G(1n)围压力压缩应变，由体积模量描述。对于各向同性材料：exx= eyy= ez

7、z=3(s112s12)PD= dV/V0 = exxeyyezz= 3(s112s12)P = (3P/E)(12n)K = P/D = E/3(12n)一、机械性能参数2. 极限强度 拉伸、压缩强度st = fmax/A0emax=(l断l0)/l0一、机械性能参数2. 极限强度 弯曲强度一、机械性能参数2. 极限强度 冲击强度 疲劳 硬度二、塑性与屈服1. 屈服现象 应力-应变曲线屈服应力成颈冷拉二、塑性与屈服1. 屈服现象 应力-应变曲线(1)软而弱；(2)硬而脆；(3)硬而强；(4)软而韧；(5)硬而韧二、塑性与屈服1. 屈服现象 屈服判据A = A0/l = A0/(1e)t =

8、f/A = (1e)s(ds/de)y=0tga=ty/(1+ey)= ty/ly真应力应变曲线与屈服点二、塑性与屈服1. 屈服现象 屈服判据聚合物真应力应变曲线的三种类型情况1：dt/dt/；情况2：在曲线的某一点上dt/dt/；情况3：于曲线的两个点上dt/dt/二、塑性与屈服1. 屈服现象 屈服判据聚对苯二甲酸乙二酯的剪切带二、塑性与屈服2. 拉伸过程中的结构变化 非晶聚合物 结晶聚合物t=t exp(DEAs)/RT)强迫高弹形变！0片晶由于沿分子轴的滑移而伸长变薄非晶：Tb T Tg结晶：Tg T Tg结晶： T Tm冷拉回复二、塑性与屈服2. 拉伸过程中的结构变化 多相体系1第一次

9、拉伸2第二次拉伸SBS嵌段共聚物(S:B1:1)的拉伸行为二、塑性与屈服2. 拉伸过程中的结构变化 多相体系SBS树脂e=0e=80%e=500%二、塑性与屈服2. 拉伸过程中的结构变化 多相体系e=600%回复后室温放置数日回复后100C退火2小时二、塑性与屈服3. 屈服行为的影响因素 温度、应变速率t=t0exp(DEAs)/RT) PMMA屈服应力温度冷拉应力温度二、塑性与屈服3. 屈服行为的影响因素 温度、应变速率屈服应力冷拉应力应变速率-温度倒数图二、塑性与屈服3. 屈服行为的影响因素 取向取向 PET 膜拉伸曲线二、塑性与屈服3. 屈服行为的影响因素 取向取向 PET 膜剪切屈服应

10、力屈服应力-剪切力方向关系二、塑性与屈服3. 屈服行为的影响因素 取向简单剪切作用的应力分析二、塑性与屈服3. 屈服行为的影响因素 流体静压力不同压力下聚丙烯的应力应变曲线(拉伸)二、塑性与屈服3. 屈服行为的影响因素 流体静压力拉伸聚丙烯试样的形状变化二、塑性与屈服3. 屈服行为的影响因素 结晶不同结晶度的PET高密度聚乙烯屈服应力与密度的关系屈服应力的温度依赖性三、强度与破坏1. 脆性断裂与韧性断裂判别：A 、应力-应变曲线；B、断裂能量；C 、断面形态三、强度与破坏1. 脆性断裂与韧性断裂PMMA拉伸速率：5mm/min三、强度与破坏1. 脆性断裂与韧性断裂PMMA断裂（屈服）强度-温度

11、图三、强度与破坏1. 脆性断裂与韧性断裂拉伸速率增加增韧 PS 拉伸曲线三、强度与破坏1. 脆性断裂与韧性断裂 脆点Ludwik等关于脆性韧性转变理论的图解说明三、强度与破坏1. 脆性断裂与韧性断裂各种聚合物在-180下的B对-20()和+20()下y的作图sB sYsY sB 3sY三、强度与破坏2. 银纹现象三、强度与破坏2. 银纹现象银纹发展成裂缝示意图三、强度与破坏2. 银纹现象韧性韧性脆性脆性增韧改性PS冲击强度温度图三、强度与破坏3. 橡/塑共混体系的脆-韧转变尼龙/改性橡胶共混体系的冲击强度同分散相粒间距的关系三、强度与破坏3. 橡/塑共混体系的脆-韧转变应力集中微区示意图三、强

12、度与破坏3. 橡/塑共混体系的脆-韧转变尼龙6/三元乙丙橡胶聚丙烯/三元乙丙橡胶共混体系的IDc同温度的关系共混体系的IDc同约化温度的关系三、强度与破坏4. 理论强度 断裂方式分析(a)化学键破坏1010 Pa(b)分子间滑脱(c)范德华力或氢键破坏108 Pa三、强度与破坏4. 理论强度 Griffith 理论断裂临界条件：dU/dC=gdA/dC临界拉伸强度：sB=(2Eg/pC)1/2 活化能理论材料断裂时间：t=t0exp(U0bsB)/RT)PMMA拉伸强度(sB) -裂缝长度(C) 的关系三、强度与破坏5. 实际强度的影响因素凡是有利于提高弹性模量、增加断裂过程的表面功、增强高分

13、子热稳定 性的因素，都使材料的强度提高。凡是使材料形成弱点而增加应力不均匀分布的因素，都使材料强度下降。 聚合物结构特征极性 短链的摩尔百分数 链刚性PDMS双模交联网的正应力对伸长比作图三、强度与破坏5. 实际强度的影响因素 聚合物结构特征分子量PMMA(a) PE(c) PS(b) PMMA破坏表面能与分子量倒数的关系数均分子量对脆性断裂强度的影响三、强度与破坏5. 实际强度的影响因素 聚合物结构特征材料缺陷三、强度与破坏5. 实际强度的影响因素 添加剂增塑剂固体填料高分子液晶PEEK/LCP三、强度与破坏5. 实际强度的影响因素 添加剂高分子液晶PEEK/LCP三、强度与破坏5. 实际强度的影响因素 受力环境丁苯橡胶断裂应变与折合应变速率T的关系(Ts= 263K )三、强度与破坏5. 实际强度的影响因素 受力环境丁苯橡胶拉伸强度与折合应变速率