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Mechanical Properties of PolymersMechanical Properties of Polymers 高分子的力学性能高分子的力学性能Polymer Physics高分子物理高分子物理1Mechanical PropertiesTensile 拉伸n拉伸强度，拉伸（杨氏）模量，断裂伸长率，屈服强度，100定伸应力Impact 冲击n悬臂梁，简支梁，落锤n缺口，无缺口Banding 弯曲n强度，模量Friction 摩擦n摩擦系数，磨损量29.1 Stress-Strain Behavior of Polymers高分子的应力高分子的应力-应变行为应变行为 3Stress-strain curve 应力-应变曲线Tensile stressTensile strainTrue stress 拉伸应力拉伸应变真应力A0FFl0 llA4Typical stress-strain curveY:yield pointB:break pointYoungs Modulus 屈服点断裂点杨氏模量byby0YBy:yield strength 屈服强度b:break strength 断裂强度y:elongation at yield 屈服伸长率y:elongation at break 断裂伸长率Tensile strength 拉伸强度Fracture energy 断裂能:OYB面积YB5Molecular motion during tensile test 拉伸过程中高分子链的运动I Elastic deformationIII Viscous flow 普弹形变普弹形变键长键角运动，可回复键长键角运动，可回复强迫高弹形变强迫高弹形变链段沿外力方向取向链段沿外力方向取向加热至加热至T Tg g以上可恢复以上可恢复粘流形变粘流形变整链相互滑移或断链整链相互滑移或断链不可回复不可回复by0YBIIIIIIII Forced rubber-like deformation6Types of stress-strain curve 应力-应变曲线的类型序号序号12345类型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PVCASPC 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7True stress-strain curve 真应力-应变曲线True stress 真应力0无体积变化且均匀变形8Considre drawing Considre作图法How to find yield point in true stress-strain curve?屈服点定义01在真应力在真应力-应变图上从横坐标点应变图上从横坐标点 =1向曲线上作切线，其切点就是屈服点，向曲线上作切线，其切点就是屈服点，对应的真应力就是屈服真应力。对应的真应力就是屈服真应力。9Three types of true stress-strain curve 三种真应力-应变曲线1.从从横横坐坐标标点点不不能能向向曲曲线线上上作作切切线线，这这种种聚聚合合物物拉拉伸伸时时随随负负荷荷增增大大而而均均匀伸长，但不能成颈。匀伸长，但不能成颈。2.从从横横坐坐标标点点可可向向曲曲线线上上作作一一条条切切线线，切切点点即即为为屈屈服服点点，聚聚合合物物拉拉伸伸时时随随负负荷荷增增大大而而均均匀匀伸伸长长，到到切切点点时时成成颈颈，随随后后细细颈颈逐逐渐渐变变细细，负负荷荷下下降直至断裂。降直至断裂。3.从从横横坐坐标标点点可可向向曲曲线线上上作作二二条条切切线线，在在A处处达达极极大大值值，成成颈颈，进进一一步步拉拉伸伸时时沿沿曲曲线线下下降降直直至至B点点，之之后后应应力力稳稳定定在在B点点。细细颈颈稳稳定定，试试样样被被冷冷拉，直至试样全部变成细颈，最后，进一步拉伸则继续发展直至断裂。拉，直至试样全部变成细颈，最后，进一步拉伸则继续发展直至断裂。AB00011109.2 Yielding of Polymer聚合物的屈服聚合物的屈服 11Cold drawing 冷拉Neck细颈q脆脆性性聚聚合合物物在在断断裂裂前前试试样样并并没没有有明明显显变变化化，断断裂裂面面一一般般与与拉拉伸方向垂直，而且很光洁伸方向垂直，而且很光洁q韧韧性性聚聚合合物物在在屈屈服服后后产产生生细细颈颈（neck），之之后后细细颈颈逐逐渐渐扩扩展展，应应变变增增加加而而应应力力不不变变，这这种种现现象象称称为为冷冷拉拉（cold drawing），直直至至细细颈颈扩扩展展到到整整个个试试样样，应应力才重新增加并使试样断裂力才重新增加并使试样断裂q冷冷拉拉是是强强迫迫高高弹弹形形变变，对对于于非非晶晶聚聚合合物物，主主要要是是链链段段取取向向；对对于于结结晶晶聚聚合合物物，主主要要是是片片晶晶的变形的变形Necking and cold drawing12Principle of Yielding 屈服原理q韧韧性性聚聚合合物物在在屈屈服服点点时时常常可可看看到到试试样样上上出出现现与与拉拉伸伸方方向向成成约约45 角角倾倾斜斜的的剪剪切切滑滑移移变变形形带带（Shear band)，并并且且逐渐生成对称的细颈逐渐生成对称的细颈Analysis of the stress during tensile test聚合物为什么会屈服？屈服后为什么会产生细颈？聚合物为什么会屈服？屈服后为什么会产生细颈？13q韧韧性性材材料料拉拉伸伸时时，斜斜截截面面上上的的最最大大切切应应力力首首先先增增加加到到材材料料的的剪剪切切强强度度，因因此此材材料料屈屈服服，并并出出现现与与拉拉伸伸方方向向成成45 角角的的剪剪切切滑滑移移变变形形带带。进进一一步步拉拉伸伸时时，剪剪切切带带中中由由于于分分子子链链高高度度取取向向强强度度提提高高，暂暂时时不不发发生生进进一一步步的的变变形形。而而其其边边缘缘则则进进一一步步发发生生剪剪切切变变形形。同同样样，在在135 的的斜斜截截面面上上也也发发生生剪剪切切变变形形，因因而而试试样样逐逐渐渐生生成成对对称称的的细细颈颈，直至细颈扩展至整个试样直至细颈扩展至整个试样q脆脆性性试试样样在在最最大大切切应应力力达达到到剪剪切切强强度度之之前前，横横截截面面上上的的法法向向正正应应力力已已达达到到材材料料的的拉拉伸伸强强度度，因因此此试试样样还还来来不不及及屈屈服服就就断断裂裂了了，而而且且断断面与拉伸方向相垂直。面与拉伸方向相垂直。Principle of Yielding 屈服原理14Shear band and Craze 剪切带和银纹剪切带剪切带q剪剪切切带带是是韧韧性性聚聚合合物物在在单单向向拉拉伸伸至至屈屈服服点点时时出出现现的的与与拉拉伸伸方方向向成成约约45 角角倾斜的剪切滑移变形带倾斜的剪切滑移变形带q剪剪切切带带的的厚厚度度约约1 m，在在剪剪切切带带内内部部，高分子链沿外力方向高度取向高分子链沿外力方向高度取向q剪剪切切带带内内部部没没有有空空隙隙，因因此此，形形变变过过程没有明显的体积变化程没有明显的体积变化q剪剪切切带带的的产产生生与与发发展展吸吸收收了了大大量量能能量量。同同时时，由由于于发发生生取取向向硬硬化化，阻阻止止了了形形变的进一步发展变的进一步发展Shear band 剪切带15裂缝裂缝银纹银纹Shear band and Craze 剪切带和银纹q银银纹纹是是聚聚合合物物在在应应力力作作用用下下，于于材材料料的的某某些些薄薄弱弱环环节节出出现现应应力力集集中中而而产产生生局局部部的的塑塑性性形形变变和和取取向向，以以至至于于在在材材料料表表面面或或内内部部垂垂直直于于应力方向上出现的微细的空化条纹状形变区应力方向上出现的微细的空化条纹状形变区Craze 银纹q银银纹纹的的长长约约100 m、宽宽约约10 m、厚厚约约1 m，外外形形与与裂裂缝缝（Crack）相相似似，但但裂裂缝缝内内部部是是空空的的，而而银银纹纹内内部部有有许许多多高高度度取取向向的的聚聚合合物物微微纤纤，这这些些微微纤纤把把银银纹纹体体的的两两个个面面连连接接起起来来并并沿沿外外力力方方向向取取向向，微微纤纤之之间间为为空空隙隙隔隔开开。银银纹纹体体中中聚聚合合物物的的体体积积分分数数约约为为4060%。银银纹纹进进一一步步发发展展，以以至至于于微微纤纤断断裂裂时，就成为裂缝时，就成为裂缝q银纹形变导致的体积增加，而截面积基本不变银纹形变导致的体积增加，而截面积基本不变q银纹的产生与发展吸收了大量能量银纹的产生与发展吸收了大量能量16Shear band and Craze 剪切带和银纹q银纹和剪切变形带是聚合物形变的两种主要形式银纹和剪切变形带是聚合物形变的两种主要形式q某某种种聚聚合合物物采采取取什什么么形形式式主主要要取取决决于于其其临临界界缠缠结结分分子子量量Mc，非非晶晶态态聚聚合合物物的的分分子子量量达达到到Mc以以上上时时就就会会产产生生分分子间缠结，形成物理交联点子间缠结，形成物理交联点qPS等等脆脆性性聚聚合合物物的的Mc（19000）较较大大，缠缠结结点点密密度度低低，缠结链伸长的长度大，容易产生银纹缠结链伸长的长度大，容易产生银纹qPC等等韧韧性性聚聚合合物物的的Mc（2490）较较小小，缠缠结结点点密密度度高高，缠缠结结链链伸伸展展较较困困难难，容容易易发发生生应应变变硬硬化化，这这种种情情况况下下银银纹纹化化形形变变不不会会得得到到充充分分发发展展，当当应应力力增增大大到到剪剪切切屈屈服服应应力时，试样即可产生剪切形变力时，试样即可产生剪切形变179.3 Fracture Theory of Polymers高分子的断裂理论高分子的断裂理论 18Griffith Fracture Theory Griffith断裂理论q该该理理论论由由Griffith于于60年年前前为为解解释释玻玻璃璃纤纤维维的的断断裂裂强强度度而而提提出出，目目前前广广泛泛应应用用于于金金属属和和非非金属材料的断裂现象金属材料的断裂现象 qGriffith认认为为，实实际际的的脆脆性性固固体体在在受受到到外外力力作作用用时时，由由于于局局部部不不均均匀匀性性，会会在在垂垂直直于于主主应应力力方方向向上上产产生生裂裂缝缝，在在裂裂缝缝的的两两端端产产生生应应力力集集中中。当当局局部部应应力力超超过过材材料料的的内内聚聚力力时时，就就会导致裂缝增长并进而使材料断裂会导致裂缝增长并进而使材料断裂 19Stress Concentration 应力集中应力集中2b2a00Stress distribution near an ellipsoid在在无无限限大大的的平平板板上上刻刻一一椭椭圆圆孔孔。在在垂垂直直于于长长轴轴方方向向施施以以均均匀匀张张应应力力，则则在在椭椭圆圆孔孔附附近近存存在在应应力力集集中中，两两端端的的应应力力最最大。大。Lnglis导得导得 椭圆椭圆裂缝裂缝a b裂缝尖端曲率半径20Griffith Equation GriffithGriffith方程方程qGriffith线弹性断裂理论从能量平衡的观点分析线弹性断裂理论从能量平衡的观点分析断裂过程。认为断裂过程。认为q断裂产生的新表面所需要的表面能是由材料内部的断裂产生的新表面所需要的表面能是由材料内部的弹性储能的减少来补偿的弹性储能的减少来补偿的q裂缝附近集中了大量的弹性储能，所以材料在裂缝裂缝附近集中了大量的弹性储能，所以材料在裂缝处先行断裂处先行断裂裂缝面积弹性储能单位面积裂缝的表面能裂缝发展裂缝发展的条件的条件表面能弹性模量临界临界应力应力Griffith Equation 21KI KIC 时破坏时破坏Griffith Equation 应力强度因子应力强度因子Stress Intensity Factor 应力强度因子应力强度因子KIC材料本身材料本身的性质的性质 C 时破坏时破坏22Molecular Theory 断裂的分子理论q分分子子理理论论认认为为，材材料料的的断断裂裂是是松松弛弛过过程程，宏宏观观断断裂裂是是微微观观化化学学键键断断裂裂的的热热活活化化过过程程。当当原原子子热热运运动动的的无无规规热热涨涨落落能能量量超超过过束束缚缚原原子子间间的的位位垒垒时时，会会使使化化学学键键离离解解，从从而而发发生生断断裂裂，这这个个过过程程与与时时间有关间有关q材材料料从从完完好好状状态态到到断断裂裂的的时时间称为承载寿命间称为承载寿命q外外力力降降低低了了活活化化位位垒垒，致致使使寿命降低，即材料易断裂寿命降低，即材料易断裂U0U0DistanceEnergyAABPotential barrier of a chemical bondBlue:without stressRed:with stress23Activation energy of fracture 断裂活化能断裂活化能q在拉伸应力作用下，材料寿命与应力的关系为在拉伸应力作用下，材料寿命与应力的关系为聚合物聚合物断裂活化能断裂活化能U0 103 J/mol热分解活化能热分解活化能U 103 J/molPVC146134PE226230PMMA226218222PP235230243PTFE314318335Nylon66118180聚合物断裂活化能与聚合物断裂活化能与热分解活化能的比较热分解活化能的比较断裂活化能活化体积测测定定不不同同、T下下的的ln，就就可可求求得得U0，发发现现与与热热分分解解活活化化能能相相当当接接近近，说明假设正确说明假设正确24Merry ChristmasMerry Christmas259.4 Tensile Strength of Polymers高分子的拉伸强度高分子的拉伸强度 26Theoretical strength 理论强度q从分子结构的角度看，聚合物之所以有抵抗外从分子结构的角度看，聚合物之所以有抵抗外力破坏的能力，主要靠分子内的化学键和分力破坏的能力，主要靠分子内的化学键和分子间的范德华力和氢键子间的范德华力和氢键q如果不考虑其他因素的影响，可以由微观角度如果不考虑其他因素的影响，可以由微观角度计算出聚合物的理论强度计算出聚合物的理论强度q为了简化问题，把聚合物断裂的微观过程归纳为了简化问题，把聚合物断裂的微观过程归纳为三种为三种q化学键破坏化学键破坏 q分子间滑脱分子间滑脱 q范德华力或氢键破坏范德华力或氢键破坏27Chain scission 断链q断裂截面上所有高分子链的化学键同时破坏断裂截面上所有高分子链的化学键同时破坏化学键键能d1.5nm时化学键破坏破坏一根化学键所需的力高分子链的截面积单位面积的高分子链数破坏单位面积破坏单位面积化学键所需的力化学键所需的力28Chain slippage 分子间滑脱q高分子链平行于受力方向排列，使与断裂截面高分子链平行于受力方向排列，使与断裂截面上所有高分子链有关的分子间作用力（包括范上所有高分子链有关的分子间作用力（包括范德华力和氢键）同时破坏德华力和氢键）同时破坏粗略估算粗略估算断裂面上高分子链的数目与前者相同，由断裂面上高分子链的数目与前者相同，由于高分子的摩尔内聚能比共价键键能大于高分子的摩尔内聚能比共价键键能大510倍，故理论强度约为倍，故理论强度约为12 105MPa29Destroy of Van der Waals bond 范德华键破坏q高分子链垂直于受力方向排列，使断裂截面两侧高分子链垂直于受力方向排列，使断裂截面两侧高分子链间的分子间作用力（包括范德华力和氢高分子链间的分子间作用力（包括范德华力和氢键）同时破坏键）同时破坏粗略估算粗略估算高高分分子子的的截截面面积积为为0.2nm2，纵纵剖剖面面积积为为100nm 0.5nm=50nm2，断断裂裂截截面面上上的的链链数数是是前前者者的的0.2/50，故故理理论论强强度度约约为为12 105/250=400800MPa30Tensile Strength of Practical Polymers 实际高分子的拉伸强度q聚聚合合物物的的实实际际强强度度为为10100MPa，与与理理论论强度相比有巨大的差距强度相比有巨大的差距q主要原因主要原因q由由于于材材料料内内部部存存在在各各种种缺缺陷陷，缺缺陷陷造造成成的的应应力力集中使局部区域的应力远高于平均应力集中使局部区域的应力远高于平均应力q因因为为破破坏坏总总是是先先发发生生在在某某些些薄薄弱弱环环节节，不不可可能能是那么多的化学键或分子间作用力同时破坏是那么多的化学键或分子间作用力同时破坏q高高分分子子材材料料的的聚聚集集态态结结构构不不可可能能象象理理论论计计算算时时那么规整那么规整 31Tensile Properties of PolymersPolymerTensile Strength,MPaElongation at break,%Youngs Modulus,MPaLDPE223960150840950PS35631328003500PMMA49772103200PP344220070012001400PVC-U3563204025004200Nylon-66836032003300PET802002900POM626860752800PC676010022002400PPO8690308026002800PTFE142525035040032Factor influencing Tensile Strength 影响高分子拉伸强度的因素q内因内因q链结构链结构q聚集态结构聚集态结构q分子间作用力分子间作用力qq外因外因q温度温度q应变速率应变速率q 33Chain Structure 链结构极性极性氢键氢键刚性刚性分子量分子量交联交联拉拉伸伸强强度度34Crystallization 结晶q结晶形态结晶形态伸直链晶体伸直链晶体串晶串晶球晶球晶q结晶度结晶度q球晶尺寸球晶尺寸拉拉伸伸强强度度35Orientation 取向q取向方向取向方向拉伸强度拉伸强度q垂直于取向方向垂直于取向方向模量模量拉伸强度拉伸强度模量模量断链或分子间滑脱断链或分子间滑脱范德华键破坏范德华键破坏36Defects 缺陷q材材料料受受力力时时在在裂裂缝缝、孔孔隙隙、缺缺口口、杂杂质质等等缺缺陷陷附附近近的的局局部部范范围围造造成成应应力力集集中中，从从而而严严重重降降低低材材料料的的拉伸强度拉伸强度37Deformation rate 应变速率q链链段段运运动动是是松松弛弛过过程程，外外力力的的作用使松弛时间下降作用使松弛时间下降q若若链链段段运运动动的的松松弛弛时时间间与与外外力力作作用用速速率率相相适适应应，材材料料在在断断裂裂前前可可发发生生屈屈服服，出出现现强强迫迫高高弹弹性性，表现为韧性断裂表现为韧性断裂q若若链链段段的的松松弛弛跟跟不不上上外外力力作作用用速速率率，材材料料在在断断裂裂前前不不发发生生屈屈服服，表现为脆性断裂表现为脆性断裂应力活化能拉伸冲击实验拉伸冲击实验 用材料高速拉用材料高速拉伸条件下的强度表征材料的韧性伸条件下的强度表征材料的韧性 0.05 inch/min0.25 inch/min1.25 inch/min5 inch/min20 inch/minStress-strain curve of PSTensile rate38Temperature 温度q降低温度与提高外力作用速率有同样的效果降低温度与提高外力作用速率有同样的效果q温度升高，材料变软变韧温度升高，材料变软变韧q温度下降，材料变硬变脆温度下降，材料变硬变脆拉伸速率 温度 T Tg50T Tg拉伸速率和温度对断裂点的影响拉伸速率和温度对断裂点的影响不同温度区间的应力不同温度区间的应力-应变曲线应变曲线39Brittle-ductile Transformation脆韧转变屈服应力T 屈服应力和断裂应力与温度和应变速率的关系屈服应力和断裂应力与温度和应变速率的关系断裂应力屈服应力 断裂应力q材料从脆性断裂向韧性断裂的转变材料从脆性断裂向韧性断裂的转变.40Reinforcing of Polymers 高分子的增强q高高分分子子材材料料的的强强度度和和模模量量远远低低于于金金属属和和陶陶瓷瓷，在在作作为为结结构构材材料料使使用用时时需需要要增强，最常用的方法是加入增强材料增强，最常用的方法是加入增强材料q连续纤维连续纤维q短纤维（含晶须）短纤维（含晶须）q粉体（纳米粒子）粉体（纳米粒子）q41Fiber reinforcing 纤维增强q聚合物基复合材料聚合物基复合材料q由由两两种种或或两两种种以以上上连连续续相相物物质质进进行行复复合合，其其中中一一相相起起增增强强作作用用，另另一一相相对对增增强强材材料料起起敛敛集集粘粘附附作作用用，所所形形成成的的复复合合物物各各组组份份保保持持原原物物质质的的同同一一性性，并并使使复合物的性质有重要改进复合物的性质有重要改进q复合材料的极限强度复合材料的极限强度纤维拉纤维拉伸强度伸强度纤维断裂应变纤维断裂应变时基体的应力时基体的应力纤维体纤维体积分数积分数42几种结构材料的力学性能几种结构材料的力学性能43Short fiber reinforcing 短纤维增强q临界纤维长度临界纤维长度纤维强纤维强度极限度极限纤维断裂应变纤维断裂应变时基体的应力时基体的应力纤维体纤维体积分数积分数qLLc时，复合材料的极限强度时，复合材料的极限强度纤维直径纤维直径纤维拉纤维拉伸强度伸强度基体剪切强度基体剪切强度纤维纤维长度长度44Particulates reinforcing 粒子增强q橡胶补强橡胶补强q碳黑或白碳黑起交联点的作用碳黑或白碳黑起交联点的作用橡橡 胶胶拉伸强度，拉伸强度，MPa未增强未增强增强增强非结晶性非结晶性硅橡胶硅橡胶*0.3413.7丁苯橡胶丁苯橡胶1.9619.0丁腈橡胶丁腈橡胶1.9619.6结晶性结晶性天然橡胶天然橡胶19.031.4氯丁橡胶氯丁橡胶14.725.0丁基橡胶丁基橡胶17.618.6*白碳黑白碳黑459.5 Toughness of Polymers高分子的韧性高分子的韧性 46Impact Strength 冲击强度q冲击强度是表征材料韧性的一种强度指标冲击强度是表征材料韧性的一种强度指标q常用的冲击试验方法有常用的冲击试验方法有q悬悬臂臂梁梁冲冲击击试试验验（含含无无缺缺口口和和有有缺缺口口两两种种试试样）样）q简简支支梁梁冲冲击击试试验验（含含无无缺缺口口和和有有缺缺口口两两种种试试样）样）q落重式冲击试验落重式冲击试验q高速拉伸试验高速拉伸试验q47Charpy Impact Strength 简支梁冲击强度简支梁冲击强度q简简支支梁梁冲冲击击强强度度定定义义为为试试样样受受冲冲击击载载荷荷而而折折断断时时单单位截面积所吸收的能量位截面积所吸收的能量 Charpy testP冲断试样所消耗的功db剩余厚度宽度kJ/m248Izod Impact Strength 悬臂梁冲击强度悬臂梁冲击强度q悬悬臂臂梁梁冲冲击击强强度度定定义义为为试试样样受受冲冲击击载载荷荷而而折折断断时时单单位缺口宽度所吸收的能量位缺口宽度所吸收的能量 bP冲断试样所消耗的功宽度J/mIzod test49Factor influencing toughness 影响高分子韧性的因素q内因内因q链结构链结构q聚集态结构聚集态结构q分子间作用力分子间作用力qq外因外因q温度温度q应变速率应变速率q 50Temperature 温度q越接近越接近Tg，韧性越大，韧性越大q温度升高，材料变软变韧温度升高，材料变软变韧q温度下降，材料变硬变脆温度下降，材料变硬变脆拉伸速率 温度 T Tg50T Tg拉伸速率和温度对断裂点的影响拉伸速率和温度对断裂点的影响不同温度区间的应力不同温度区间的应力-应变曲线应变曲线高韧性塑料51Deformation rate 应变速率q若若链链段段运运动动的的松松弛弛时时间间与与外外力力作作用用速速率率相相适适应应，材材料料在在断断裂裂前前可可发发生生屈屈服，表现为韧性断裂服，表现为韧性断裂q若若链链段段的的松松弛弛跟跟不不上上外外力力作作用用速速率率，材材料料在在断断裂裂前前不不发发生生屈屈服服，表表现现为脆性断裂为脆性断裂Stress-strain curve of PS 0.05 inch/min0.25 inch/min1.25 inch/min5 inch/min20 inch/minTensile rate应变速率应变速率韧性韧性52Chain Structure 链结构极性极性氢键氢键刚性刚性交联交联韧韧性性支化支化53Crystallization 结晶结晶度结晶度球晶尺寸球晶尺寸冲冲击击强强度度54Orientation 取向q垂垂直直于于取取向向方方向向的的冲冲击击强强度度提高提高55Defects 缺陷q材材料料受受力力时时在在裂裂缝缝、孔孔隙隙、缺缺口口、杂杂质质等等缺缺陷陷附附近近的的局局部部范范围围造造成成应应力力集集中中，从从而而严严重重降降低低材材料料的的拉伸和冲击强度拉伸和冲击强度q大大量量的的同同类类小小缺缺陷陷可可同同时时诱诱发发大大量量空空穴穴或或银银纹纹，吸吸收收冲冲击击能能，反反而有利于提高冲击强度而有利于提高冲击强度56Toughening of Polymers 高分子的增韧q常用的方法常用的方法q弹性体增韧弹性体增韧q刚性有机粒子增韧刚性有机粒子增韧q超细无机粒子增韧超细无机粒子增韧q57Rubber toughening 橡胶增韧 增强橡胶增强橡胶增韧塑料增韧塑料橡胶橡胶塑料塑料q达到良好增韧效果的条件达到良好增韧效果的条件q橡胶相作为分散相存在橡胶相作为分散相存在q橡胶相与塑料相有良好的界面粘接力橡胶相与塑料相有良好的界面粘接力q橡胶相的橡胶相的Tg远低于使用温度远低于使用温度58聚苯乙烯的增韧聚苯乙烯的增韧PS:polystyrene;LLDPE:linear low density polyethylene;BR:butadiene rubber;SBS:styrene-butadiene-styrene copolymer;DCP:dicumyl peroxide59SEM micrograph of the fracture surface of PS/EPDM/SBS blends85/10/1085/20/085/15/1085/20/1060Mechanical properties of the PS/EPDM(85/n)binary blends n（wt）Impact Strength（KJ/m2）Tensile Strength（MPa）Elongation at Break（）（）Tensile Modulus（MPa）Bending Strength（MPa）Bending Modulus（MPa）01.2942.05.88.5044.3455.651.3631.07.66.0139.6388.5101.5326.810.94.9434.5307.2152.1421.49.44.7530.1250.1202.5420.517.03.6427.9224.3251.8420.310.63.8725.5199.861Mechanical properties of the PS/EPDM/SBS(85/n/10)ternary blendsEPDM（wt）Impact Strength（KJ/m2）Tensile Strength（MPa）Elongation at Break（）（）Tensile Modulus（MPa）Bending Strength（MPa）Bending Modulus（MPa）02.0337.16.58.6927.5262.953.0731.57.57.7835.9257.3106.2327.66.56.8433.6249.81511.224.86.96.0630.6230.42022.521.210.67.9525.7217.52526.318.438.94.4424.0206.562Mechanism of rubber toughening 橡胶增韧机理橡胶增韧机理q多重银纹机理多重银纹机理q根根据据Griffith理理论论，断断裂裂过过程程能能否否进进行行取取决决于于弹弹性性储储能与断裂过程中新产生表面的表面能的相对大小能与断裂过程中新产生表面的表面能的相对大小q若若只只有有极极少少数数银银纹纹时时，应应力力全全部部集集中中在在这这几几个个银银纹纹上上，很很快快发发展展为为裂裂缝缝并并迅迅速速扩扩展展，只只用用很很少少的的力力就就会使材料破坏会使材料破坏q分分散散的的橡橡胶胶相相起起应应力力集集中中体体的的作作用用，受受冲冲击击时时诱诱发发大大量量的的银银纹纹（微微裂裂纹纹），同同时时诱诱发发的的大大量量银银纹纹会会吸吸收大量能量，从而起增韧作用收大量能量，从而起增韧作用q大大量量银银纹纹存存在在时时，应应力力场场相相互互干干扰扰，使使银银纹纹端端部部的的应应力力减减小小，而而且且银银纹纹端端部部发发展展到到橡橡胶胶粒粒子子时时也也可可能能被终止被终止63Mechanism of rubber toughening 橡胶增韧机理橡胶增韧机理q剪切屈服机理剪切屈服机理q分分散散的的橡橡胶胶颗颗粒粒在在塑塑料料相相中中建建立立了了静静水水张张应应力力，使使塑塑料料相相的的自自由由体体积积增增大大，从从而而降降低低了了其其玻玻璃璃化化转转变变温温度度，使使之之较较易易产产生生剪剪切切滑滑移移变变形形，从从而而实实现现脆脆韧韧转变转变q银纹银纹-剪切带协同机理剪切带协同机理q剪切带可诱发和终止银纹，两者可产生协同效应剪切带可诱发和终止银纹，两者可产生协同效应64ROF toughing 刚性有机粒子增韧qROF增增韧韧可可达达到到既既增增强又增韧的效果强又增韧的效果q增韧的前提增韧的前提q基体本身是韧性的基体本身是韧性的q界面粘接力强界面粘接力强Toughening of PC with AS and ABS PCASPC/ABSABSPC/AS65q材材料料变变形形时时，如如果果两两相相粘粘接接力力强强，而而基基体体又又不不产产生生银银纹纹，则则给给ROF颗颗粒粒很很大大的的静静压压力力，使颗粒随之变形使颗粒随之变形q不不论论颗颗粒粒本本身身是是脆脆性性的的还还是是韧韧性性的的，在在静静压压力力下下表表现现为为韧性韧性q由由于于ROF的的刚刚性性很很大大，变变形形时时要要吸吸收收很很大大的的能能量量，从从而而提高了材料的断裂能提高了材料的断裂能 Mechanism of ROF toughening刚性有机粒子增韧机理刚性有机粒子增韧机理66Toughing by Nano-filler 纳米粒子增韧？ProjectUnitPVC-U Nano-PVCTensile strengthMPa43.344.6Youngs modulusGPa4.955.36Izod impact strengthJ/m73.5111.467Define the following termsDefine the following termsImpact resistanceTensile strengthFailure envelopeFatigue crack propagationCraze CrackShear yieldingCold draw68