第七章高分子 (2)PPT讲稿.ppt

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1、第七章高分子第1页，共43页，编辑于2022年，星期二第2页，共43页，编辑于2022年，星期二高分子材料在使用中，必须具备必要的力学性能力学性能高聚物的极限力学行为屈服、破坏（断裂）屈服、破坏（断裂）第3页，共43页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 玻璃态和结晶态高聚物的力学性质玻璃态和结晶态高聚物的力学性质1.1描述力学性质的基本物理量描述力学性质的基本物理量1.应力和应变应力和应变应变：材料几何形状和尺寸的变化为应变。(Stress)应力：单位面积上的附加内力为应力。(Strain)对于各向同性的材料，受力方式不同，发生形变的类型也将不同。第4页，共43页，编辑于2022年，星期二

2、.简单拉伸简单拉伸真应变真应变第5页，共43页，编辑于2022年，星期二（2）.简单剪切简单剪切切应变：剪切应力：第6页，共43页，编辑于2022年，星期二(3).均匀压缩均匀压缩围压力围压力:P体积从V0变为：均匀压缩应变：单位体积的体积减小均匀压缩应变：单位体积的体积减小第7页，共43页，编辑于2022年，星期二弹性模量弹性模量对于理想的弹性固体，应力与应变成正比，比例常数称为弹性模量杨氏模量剪切模量体积模量第8页，共43页，编辑于2022年，星期二三种模量之间的关系三种模量之间的关系泊松比泊松比，在拉伸实验中，材料横向单位宽度的减少与纵向单位长度的增加之比值。模量的倒数模量的倒数杨氏模量

3、的倒数拉伸柔量D剪切模量的倒数剪切柔量J体积模量的倒数可压缩度第9页，共43页，编辑于2022年，星期二机械强度机械强度所受外力超过了材料的承受能力，材料就要发生破坏，机械强度就是材料抵抗外力破坏的能力。在各种实验应用中，机械强度是材料力学性能的重要指标。对于各种不同的破坏力，有不同的强度指标。力学性能指标力学性能指标第10页，共43页，编辑于2022年，星期二1.2 几种常见力学性能指标几种常见力学性能指标1.拉伸强度拉伸强度:(Tensile Strength)在规定温度、湿度和一定速度的情况下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷，直到试样断裂为止。拉伸强度：拉伸模量：第11页，共43页，编辑

4、于2022年，星期二2.弯曲强度弯曲强度:(Bend Strength)在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷称为弯曲强度。弯曲强度弯曲强度弯曲模量弯曲模量第12页，共43页，编辑于2022年，星期二3.冲击强度冲击强度:(Impact Strength)在高速冲击状态下,标准试样在断裂时,单位面积所吸收的能单位面积所吸收的能量量。冲击强度：第13页，共43页，编辑于2022年，星期二 4.硬度硬度:(Hardness)硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有关，其是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。第14页，共43页，编辑于2022年，星期二1.3 几类高聚物的拉伸

5、行为几类高聚物的拉伸行为1.玻璃态高聚物的拉伸玻璃态高聚物的拉伸B点屈服点屈服应力C点断裂点断裂应力断裂伸长率第15页，共43页，编辑于2022年，星期二拉伸过程的分子运动拉伸过程的分子运动曲线起始阶段虎克弹性体，应力与应变成正比。形变是由高分子的键长键角的变化引起。脆性断裂脆性断裂屈服点以后，材料的大形变链段运动韧性断裂韧性断裂高弹形变高弹形变第16页，共43页，编辑于2022年，星期二玻璃态高聚物的强迫高弹形变玻璃态高聚物的强迫高弹形变玻璃态高聚物在大外力的作用下发生的大形变强迫高弹形变外力作用的松弛时间与应力的关系:影响强迫高弹形变的因素:外力的大小温度的影响作用速度的影响结构因素的影响

6、分子量的大小也有影响加大外力与升高温度相似加大外力与升高温度相似第17页，共43页，编辑于2022年，星期二脆化温度脆化温度脆化温度脆化温度：其是一个特征温度，用Tb表示，当温度低于Tb时，玻璃态高聚物不能发生强迫高弹形变，而必定发生脆性断裂，因此称Tb为脆化温度。(BrittleTemperature)玻璃态高聚物只有在TbTg之间的温度范围内，才能在外力作用下实现强迫高弹形变，而强迫高弹形变又是塑料具有韧性的原因，因此Tb是塑料使用的最低温度。第18页，共43页，编辑于2022年，星期二结晶高聚物的拉伸结晶高聚物的拉伸曲线形状对拉伸过程的解释结晶高聚物与非晶玻璃态高聚物在拉伸情况下的表现相

7、似，本质上都是高弹形变。差别：可被冷拉的温度范围及聚集态结构的变化不同。第19页，共43页，编辑于2022年，星期二硬弹性材料的拉伸硬弹性材料的拉伸(Hard Elastic Materials)聚丙烯和聚甲醛等易结晶的高聚物熔体，在较高的拉伸力场中结晶时，可以得到很高弹性的纤维和薄膜材料，其弹性模量比一般橡胶高很多，因而称为硬弹性材料硬弹性材料。第20页，共43页，编辑于2022年，星期二E.S.Clark能弹性机理能弹性机理第21页，共43页，编辑于2022年，星期二硬弹性的表面能机理硬弹性的表面能机理硬弹性主要是由形成纤维的表面能改变所贡献第22页，共43页，编辑于2022年，星期二应变

8、诱发塑料应变诱发塑料橡胶转变橡胶转变 (Strain-induced plastics-to-rubber transition)第23页，共43页，编辑于2022年，星期二第24页，共43页，编辑于2022年，星期二1.4 高聚物的屈服高聚物的屈服第25页，共43页，编辑于2022年，星期二1.高聚物单轴拉伸的应力分析：高聚物单轴拉伸的应力分析：试样受到拉力时，试样内部任意截面上的法应力和切应力只与试样的正应力正应力和截面的倾斜角倾斜角有关。第26页，共43页，编辑于2022年，星期二当当 =45 时，切应力出现最大值；时，切应力出现最大值；当当 =0 时，法应力出现最大值。时，法应力出现最

9、大值。第27页，共43页，编辑于2022年，星期二真应力真应力应变曲线及其屈服判据应变曲线及其屈服判据如试样变形时体积不变，再定义伸长比在 对 曲线上,达最大值时，试样开始成颈，习用应力下降，最后试样在细颈的最窄部位断裂。而在对 曲线上,却随 的增加单调的升高，试样成颈时，并不出现极大值。第28页，共43页，编辑于2022年，星期二真应力真应力应变曲线的类型应变曲线的类型：屈服点判据：在屈服点，曲线出现拐点d/d=0在=-1处向-曲线作切线，切点就是屈服点。第29页，共43页，编辑于2022年，星期二表示在=-1点，不可能向-曲线作切线，这种高聚物在冷拉时不能成颈不能成颈，高聚物随拉力的增大而

10、均匀伸长。表示在=-1点，可以向-曲线作切线，这种高聚物有屈服和成颈有屈服和成颈，高聚物随拉力的增大最后断裂。表示在=-1处，可以向-曲线作两条切线，D为屈服点，E点之后高聚物出现冷拉现象。第30页，共43页，编辑于2022年，星期二1.5 高聚物的破坏和理论强度高聚物的破坏和理论强度1.高聚物的破坏a.化学键的破坏b.分子间的滑脱c.分子间力的破坏高聚物之所以能够抵抗外力的破坏主要靠分子内的化学键合力和分子间的范德华力和氢键第31页，共43页，编辑于2022年，星期二理论强度理论强度(1).化学键的破坏：实际强度比理论值小几十倍。(2).分子间的滑脱：无单纯由分子间滑脱引起的断裂。(3).分

11、子间力的破坏：理论强度与实际强度属同数量级。第32页，共43页，编辑于2022年，星期二1.6 影响高聚物实际强度的因素影响高聚物实际强度的因素与材料本身有关的：化学结构、分子量及其分布、支化和交联、结晶与取向等与外界条件有关的：温度、湿度、光照、老化、作用力的速度等1.分子结构本身的影响分子结构本身的影响极性基团或氢键的密度愈大，则强度愈高低压聚乙烯1516MPa聚氯乙烯50MPa尼龙61060MPa尼龙101080MPa第33页，共43页，编辑于2022年，星期二主链含有芳杂环的高聚物：其强度和模量都比脂肪族高，引入芳环侧基时，强度和模量也会提高。分子链有支化的高聚物：支化使分子间距离增加

12、，支化程度增大，高聚物的拉伸强度降低，冲击强度升高。适度交联的高聚物：适度交联可以提高抗张强度。高聚物分子量的影响：强度随分子量的增大而升高。但当分子量足够大时，拉伸强度与分子量无关，冲击强度继续增大。分子量分布的影响：其中低分子量部分使强度降低。第34页，共43页，编辑于2022年，星期二2.结晶和取向的影响结晶和取向的影响结晶度影响：结晶度增加，对提高拉伸强度、弯曲强度和弹性模量有利；但如果结晶度太高，则会使冲击强度和断裂伸长率降低。球晶结构的影响：大球晶通常使冲击强度和断裂伸长率降低；小球晶使拉伸强度、模量和断裂伸长率降低。结晶形态的影响：由伸直链组成的纤维状晶体，其抗张性能较由折叠链组

13、成的晶体优越得多。取向的影响：取向使聚合物材料产生各向异性和在取向方向上的强度增加。在取向方向上，抗张强度、屈服应力和模量比未取向时高25倍，但垂直方向的强度却低于未取向时的23倍。第35页，共43页，编辑于2022年，星期二3.应力集中物的影响应力集中物的影响 应力集中应力集中：如果材料存在缺陷缺陷，使其在受力时内部应力分布不平均，缺陷附近范围内的应力急剧增加，远远大于平均值，这一现象称应力集中。缺陷：就是应力集中物，包括裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质缺陷的形状不同，应力集中的系数（最大局部应力与平均应力的比值）也不同，锐口的缺陷应力几种系数比顿口的要大。很多热塑性塑料在储存以及使用过程中，由

14、于应力以及环境的影响，往往会在表面出现裂纹，这些裂纹由于光的折射，看上去是发亮的，所以称为银纹银纹。第36页，共43页，编辑于2022年，星期二 应力发白：应力发白：塑料在拉伸变形或弯曲变形时试样有发白现象，塑料在拉伸变形或弯曲变形时试样有发白现象，在受到冲击的破坏面也能看到发白的现象。在受到冲击的破坏面也能看到发白的现象。第37页，共43页，编辑于2022年，星期二4.增塑剂的影响增塑剂的影响增塑剂的加入，对聚合物起到了稀释作用，使高分子链之间的作用力减小，带来强度的降低。一般加入增塑剂会使材料的抗张强度、模量等降低，而断裂伸长率和冲击强度则随之升高。水是一种广义的增塑剂第38页，共43页，

15、编辑于2022年，星期二5.填料的影响填料的影响填料有两种即惰性填料和活性填料。惰性填料：只起到稀释的作用。降低成本，但也会使材料的强度有所降低。活性填料：能够显著提高材料的性能。填料的增强程度与填料本身的强度及其与高聚物的亲和力大小有关。第39页，共43页，编辑于2022年，星期二.粉状填料：粉状填料：.纤维状填料：纤维状填料：填料：填料：第40页，共43页，编辑于2022年，星期二6.共聚和共混的影响共聚和共混的影响共聚可以综合两种以上均聚物的性能。聚苯乙烯ABS共混也是一种很好的改性方法，通过共混可以得到某些特定性能的高聚物。共混材料有两相存在：即塑料相和橡胶相。第41页，共43页，编辑于2022年，星期二高聚物是粘弹性材料，所以其破坏过程是一种松弛过程。因此外力作用速度和温度对高聚物的强度有影响。7.外力作用速度和温度的影响外力作用速度和温度的影响第42页，共43页，编辑于2022年，星期二课堂测试（二）1、高聚物分子热运动的主要特点、高聚物分子热运动的主要特点2、简述高聚物的三种力学状态及、简述高聚物的三种力学状态及 其对应的分子运动情况其对应的分子运动情况3、高分子粘性流动的主要特点、高分子粘性流动的主要特点4、什么是熔融指数、什么是熔融指数第43页，共43页，编辑于2022年，星期二