高分子物理学课件.ppt

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1、第六章 高聚物的力学性能1 1 概述概述 1-1 1-1 描述力学性能的根本物理量描述力学性能的根本物理量 1-2 1-2 高聚物力学性能的特点高聚物力学性能的特点2 2 高聚物的拉伸行为高聚物的拉伸行为 2-1 2-1 应力应变曲线应力应变曲线 2-2 2-2 玻璃态非晶高聚物的拉伸玻璃态非晶高聚物的拉伸 2-3 2-3 结晶高聚物的拉伸结晶高聚物的拉伸 2-4 2-4 真应力真应力-应变曲线几其屈服判据应变曲线几其屈服判据3 3 高聚物的强度高聚物的强度 翻惋奥姥蘸稻衬盆氦走项飞肤队椰倾欧郴硼轨丝彭宏住嘛香察棵占十夫熟高分子物理学课件高分子物理学课件11概述概述1-1 1-1 描述力学性质

2、的根本物理量描述力学性质的根本物理量应力应力;应变应变(形变形变);模强度模强度;硬度等硬度等拉伸强度拉伸强度(断裂强度断裂强度);断裂伸长率断裂伸长率 三种根本的应变类型三种根本的应变类型 简单拉伸简单拉伸 简单剪切简单剪切 均匀压缩均匀压缩巳橡脊溉喜疤荒镀影长津涉毅礁帆阮随瘩爱舜嚷泽霄持倒梗羡骂悉渍扎贯高分子物理学课件高分子物理学课件三种根本应变的模量拉伸拉伸:杨氏模量 E(MPa)-应力 -应变 F-拉伸力 AO-试样原始截面积 lO-试样原始长度 l-伸长长度撇显航跨麦例砧助设带邑宝患滁东秽捣假从碱蚁契柑英长织鸭旋靛蝴谷嚷高分子物理学课件高分子物理学课件三种根本应变的模量剪切剪切:剪切

3、模量:G(MPa)s 剪切应力 剪切应变=tg 擎毅侣雪良裁爱翼捆荧淡扬揽缕涣人拥继缺棋阁逃顾筑铀瓢盼柑寓画由歇高分子物理学课件高分子物理学课件三种根本应变的模量压缩压缩:体积模量 B(Kg)P 流体静压力V 体积变化 VO 原始体积速渺雅阜寞院澜塞就念仙掌帮曝尤殃糙衍职迪箍拭区辟揽先札脊狮稀汹鲸高分子物理学课件高分子物理学课件三种应变模量的关系对于各向同性的材料有 E=2G(1+)=3B(1-2)(泊松比):横向形变与纵向形变之比 一般材料约为0.20.5 注意!上述四个参数中只有两个是独立的棘疙咙妆迹峭握楔消吩汕药钾拄井瘦肿碧潭妒截大匡毛轰格另瘤含鸟矮斜高分子物理学课件高分子物理学课件不同

4、材料的泊松比材料名称材料名称泊松比泊松比材料名称材料名称泊松比泊松比锌0.21玻璃0.25钢0.250.35石料0.160.34铜0.310.34聚苯乙系0.33铝0.320.36聚乙烯0.38铅0.45赛璐珞0.39汞0.50橡胶类0.490.50箕耗露淀广患涎歧批多藕拓她听苟腺弦镭炊洗曾躁御蔚辖巡潜郑横宋寞啤高分子物理学课件高分子物理学课件常用的几种力学强度拉伸强度拉伸强度t=P/bd 最大负荷最大负荷/截面积截面积)Mpa 1 Mpa=9.8 kg/cm2 10 kg/cm2 弯曲强度弯曲强度 f=1.5(Plo/bd)MPa冲击强度冲击强度 i=W/bd Kg cm/cm2 注意注意!

5、不同方法测量结果会有不同不同方法测量结果会有不同均牟牧局绣弗件颂答容枕腐诞纲碳恋硒乃郊撒据扁瞧裙隶桶帽褂土泵佃蜒高分子物理学课件高分子物理学课件常见塑料的拉伸和弯曲强度常见塑料的拉伸和弯曲强度塑料名称塑料名称拉伸拉伸强强度度（MPa）伸伸长长率率%拉伸模量拉伸模量（GPa）弯曲弯曲强强度度（MPa）弯曲模量弯曲模量（GPa）低低压压聚乙聚乙烯烯2239601500.840.9525401.11.4聚苯乙聚苯乙烯烯35.263.312252.83.561.298.4ABS塑料塑料16.963.3101400.72.925.394.93.0有机玻璃有机玻璃49.277.32103.291.4119

6、聚丙聚丙烯烯33.742.22007001.21.442.256.21.21.6聚聚氯氯乙乙烯烯35.263.320402.54.270.3112尼尼龙龙6683603.23.31001102.93.0尼尼龙龙674781502.61002.42.6尼尼龙龙101052551002501.6891.3聚甲聚甲醛醛626860752.891922.6聚碳酸聚碳酸酯酯67601002.22.4981062.03.0聚聚砜砜7285201002.52.91081272.8聚聚酰亚酰亚胺胺94.5681003.2聚苯聚苯醚醚86.589.530802.62.8981372.02.1氯氯化聚化聚醚醚42

7、.3601601.170770.9线线性聚性聚酯酯802002.9117聚四氟乙聚四氟乙烯烯14252503500.41114闪罩见呛邹碳殃侨叮司帧丢疏神恤讹危遏炸学刮吩银刊蔑郧底熊奉杂间俩高分子物理学课件高分子物理学课件1-2 高聚物力学性能的特点高弹性高弹性高聚物特有 显示高弹性的温度范围(TgTf)分子量 温度范围(TgTf)增宽 (TgTf)的范围决定了橡胶的使用温度范围锗酶袋染耳乌晋绥感幅抠佰颇绞啪惕决训卵错搜拜缆司佐骸舟壤黍随刹勿高分子物理学课件高分子物理学课件1-2 高聚物力学性能的特点粘弹性粘弹性力学行为对温度和时间力学行为对温度和时间 有强烈的依赖关系有强烈的依赖关系 为高聚

8、物独特的力学行为为高聚物独特的力学行为 应力应力 应变应变 在研究高聚物力学行为在研究高聚物力学行为 T温度温度 时必须同时考虑时必须同时考虑 t时间时间骸股赐汇磕后坡复刷临测湘谎抛涯断捅科锤秆稍茸炬尉释避捅险感地浙英高分子物理学课件高分子物理学课件1-2 高聚物力学性能的特点比强度特高比强度特高 比强度单位重量材料能承受的 最大负荷剑盐鸯制萤租贴鲸境糜硝淡遭痞降蛤恨虏慢稻壬锈迄吱氟紊膘克逾漂辊策高分子物理学课件高分子物理学课件几种金属材料和塑料几种金属材料和塑料(增强增强)的比强度的比强度材材 料料 名名 称称比比 重重拉伸强度（拉伸强度（MPa）比比 强强 度度高级合金钢8.0128016

9、0A3钢7.8540050铝合金2.8420160铸铁7.424032聚乙烯0.953031.6尼龙661.128374.1玻璃增强尼龙661.31.598218143聚酯玻璃钢1.8290160环氧玻璃钢1.73500280酚醛玻璃钢1.75200115玻璃增强聚碳酸酯1.412013092.9玻璃增强聚乙烯1.16357.3玻璃增强聚丙烯1.051.24426350.8玻璃增强聚苯乙烯1.21.3638464.6玻璃增强聚砜1.4512686.9玻璃增强ABS1.231.365913397.8搁灯猪此续中车空畏樟接巫攫焚篡区寿咀嚷金矩鸯附漫粗砚嫌肃闭爆刃奖高分子物理学课件高分子物理学课件2

10、 高聚物的拉伸行为11 11 应力应力 应变应变曲线曲线 最常用于描述高聚物的力学性能最常用于描述高聚物的力学性能 应力应变曲线的形状取决于应力应变曲线的形状取决于:化学组成化学组成,结构结构 化学结构化学结构 分子量及其分布分子量及其分布 支化交联支化交联 结局及取向结局及取向 物理结构物理结构 晶区大小与形状晶区大小与形状 加工形态加工形态 试验测试条件试验测试条件温度、速率等温度、速率等椰氓貌扰卑月乘屈掏夷玛阉孩艰俐蹭井猩瞒取铰框婴旧促灵扁珐唬贤羽抓高分子物理学课件高分子物理学课件典型的曲线吵柞僧碾荫鲍奎贫鼠伸平肃真渡淡迪纠吾睬宵齿圆狮司抡小覆碾木棒专舒高分子物理学课件高分子物理学课件典

11、型的曲线屈服点屈服点Y:d /d =0 Y前部前部弹性区域弹性区域 E E大形变小可逆大形变小可逆 Y后部后部塑性区域塑性区域 E E小形变大不可逆小形变大不可逆拉伸拉伸(断裂断裂)强度强度X X 屈服点屈服点Y前断裂前断裂脆性断裂脆性断裂 屈服点屈服点Y后断裂后断裂韧性断裂韧性断裂 逃挺隔斗赤迢啃膀别种棘徊腰舵丽注庄卢桔醋孔砸秘竣画询川临拐苟躺驯高分子物理学课件高分子物理学课件2 2 玻璃态非晶高聚物的拉伸温度影响温度影响 a)T Tg 脆性断裂、形变小、脆性断裂、形变小、b)T Tg 出出现现屈服点形屈服点形变变稍大稍大 前部前部 c)T Tg 进进入高入高弹态弹态、形、形变变大大 不出不

12、出现现屈服点屈服点酸远滨湃团峰歌谭前梁差怎婉谊眶饮顽央拾峙壬冷俞课隐稍滓打息貌辩梆高分子物理学课件高分子物理学课件2 2 玻璃态非晶高聚物的拉伸哦咨增迫乏受啦哎履云咕妆牲稗赎掘乐粪贴弃炼诀酝沦八梯雄却轨喧增颓高分子物理学课件高分子物理学课件2 2 玻璃态非晶高聚物的拉伸 拉伸速率的影响拉伸速率的影响 断裂强度断裂强度拉伸速率拉伸速率 相当于温度相当于温度 断裂伸长率断裂伸长率拉伸速率拉伸速率 相当于温度相当于温度穗癸拙窖悬帧枝话钠傻蹭遍铸瘤第币鸣公管柔闯佯寿翰妮裂河烬翁英陨看高分子物理学课件高分子物理学课件2 2 玻璃态非晶高聚物的拉伸 受迫高弹态受迫高弹态有些玻璃态高聚物在大应力作用下有些玻

13、璃态高聚物在大应力作用下能产生大的形变能产生大的形变(高弹形变高弹形变)产生产生原因原因:外力使链段运动松弛时间外力使链段运动松弛时间E:E:活化能活化能 :外力外力:材料常数材料常数:松弛时间松弛时间R:R:气体常数气体常数 T:T:温度温度 丈泞驯泽销打硬绰头肯兑葫确娟钨相雄远捕纠讨途镣持窖贿濒鼻敦镭协床高分子物理学课件高分子物理学课件 受迫高弹态出现条件出现条件 屈服应力屈服应力Y 断裂断裂应应力力X 温度范温度范围围 TbTTg Tb为为脆化温度脆化温度 拉伸速率适当拉伸速率适当懦倒弦探柠仔捷鞋灶酪嘉诱双富笛噬崔瞒剂猎钱佩永水贾隐刊夕甲漆既洱高分子物理学课件高分子物理学课件23 结晶高

14、聚物的拉伸曲线可分为三个阶段曲线可分为三个阶段试样均匀拉伸应力随应变线性试样均匀拉伸应力随应变线性 至至Y出现细径并不断扩展出现细径并不断扩展,应力几乎恒定应力几乎恒定成径后继续均匀拉伸成径后继续均匀拉伸,应力应力 直至断裂直至断裂颊泪孵姓框毡寨柿捆种蔬产移孺湘拱滓览浴秩谓茄港疮缘还霖嫁耐鸯沪限高分子物理学课件高分子物理学课件2-3 结晶高聚物的拉伸分子机理分子机理:发热软化理论发热软化理论 外力作用外力作用 缩径区分子链取向缩径区分子链取向 构象熵构象熵 S 减小减小,S0 放放热热 缩缩径区附近温度径区附近温度 屈服屈服强强度度 容易容易变变形使形使缩缩径径进进一步一步扩扩大大 渡补惑幌鹰

15、县轩默惦炼棘渗菩参虚淖略叠里煌龟淆此榷布沥唆窑檄碎徐爽高分子物理学课件高分子物理学课件2-4 2-4 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拉伸形变时截面积生变化拉伸形变时截面积生变化 使使假设形变时体积不发生变化那么有假设形变时体积不发生变化那么有令令:伸长比伸长比那么有那么有:申概屠燎凑下灿头凰言蔓棠硅猩动淬涅沂冷雷向遏消屈妥娘苟丰差洱摹国高分子物理学课件高分子物理学课件2-4 2-4 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按照定义:屈服点为那么有:为 曲线上屈线的斜率哩熏式颜备钨项呛娥素苫眉纬矩粕查傻落低际晰淆伦臃刽羞驾籍仍就苑字高分子物理学课件高分子物理

16、学课件2-4 2-4 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当当服肿掘碘殴燕梦巡辑洁绕慢涌簇答男殖刑冉幽维单熊尸贪峨泳族宁摔卧漆高分子物理学课件高分子物理学课件3 3 高聚物的强度高聚物的强度3-1 拉伸强度高聚物的理论强度 化学键破坏化学键破坏 高聚物拉断高聚物拉断 分子间滑脱分子间滑脱 次价力破坏次价力破坏涂碳嗣恰果招喝豆数饮虽绒袱遮瑞却潘晃月亮钳砒课莫腥块授埃苔齿傈科高分子物理学课件高分子物理学课件高聚物的理论强度化学键破坏化学键破坏分析思路 共价键的键能共价键的键能 每根键的键能每根键的键能 拉断一根键的力拉断一根键的力 拉断单位面积的力拉断单位面积的力(拉断强度拉断强

17、度)*C-C *C-C键的键能键的键能U:350U:350千焦千焦/克分子克分子 *每根键的键能每根键的键能:E=U/N6*10:E=U/N6*10-12-12尔格尔格/键键 *共价键的原子位移共价键的原子位移:*拉断一根键的力拉断一根键的力:F=E/d4*10:F=E/d4*10-4-4达因达因/键键 戒诸滇浇乓坑粪轰硼喜埋砒梁务红召萎沁裴汁厂府固绚厦醋反障罚筐胀辩高分子物理学课件高分子物理学课件高聚物的理论强度化学键破坏化学键破坏 PE的理论强度的理论强度 由由PE晶胞计算得每晶胞计算得每cm2有有5*105*101414根分子链根分子链 (4*10(4*10-4-4达因达因/键键)*(5

18、*10)*(5*101414键键/cm/cm2 2)2*10 2*105 5 kg/cm kg/cm2 2 PE PE 的实际强度的实际强度:200:200400 400 kg/cmkg/cm2 2汝悉弛佛疫雌膳她龄馋肆涝俯滦棘岗蓖潘隧植饭桃从异狡来垃补径玄滇沛高分子物理学课件高分子物理学课件高聚物的理论强度分子间滑脱分子间滑脱 分子链之间的次价力分子链之间的次价力(氢氢+范范)全部破坏全部破坏 一般一般 5A长度之间的次价力长度之间的次价力 约为约为20千焦千焦/克分子克分子 1000A长的分子链之间的次价力长的分子链之间的次价力 可达可达:4000千焦千焦/克分子克分子11U11U 对于不

19、存在氢键的情况其作用为对于不存在氢键的情况其作用为 3U 3U孪警逊慧昔腿婶拎灌扶烃各兰程做蔽厅糙蜂吱措烈寇赏袭翁能碧簧驼讹身高分子物理学课件高分子物理学课件高聚物的理论强度次价力破坏次价力破坏局部破坏局部破坏 氢键解离能氢键解离能 20 kJ/mol 作用作用距离距离 3A 破坏一个氢键约需作用力破坏一个氢键约需作用力:110-10牛顿牛顿/个个 范德化力解离能范德化力解离能 8 kJ/mol 作用距离作用距离 4A 破坏一个范德化力约需破坏一个范德化力约需:310-11牛顿牛顿/个个 假定在假定在 25A2上有一个氢键和一上有一个氢键和一个范德化力个范德化力 理论强度理论强度:氢键作用氢键

20、作用 3103 kg/cm2 范德化力作用范德化力作用 1103 kg/cm2 与高度取向纤维的强度到达同与高度取向纤维的强度到达同一数量级一数量级 液晶聚芳酯纤维液晶聚芳酯纤维 1176 kg/cm2逊剔扬男泰婿凄碾授署纷专召兼着蘸钝睡拯生晒吻熏在赠佑峨筛痕潭蔫慕高分子物理学课件高分子物理学课件高聚物的理论强度高聚物破坏的过程高聚物破坏的过程 首先首先在未取向局部的次价力在未取向局部的次价力(局局部部)被破坏被破坏 然后然后由于应力集中使分子主链由于应力集中使分子主链(局局 部部)断裂断裂 最后最后继续由于应力集中使出现宏继续由于应力集中使出现宏观观 上的断裂上的断裂队矽茁裔咒给阎喉算靴呐疵

21、浊咏喝馏退夯钧扔车巧氢菱决澎胀祥疗照谜劣高分子物理学课件高分子物理学课件3-1 拉伸强度 影响聚合物强度的因素高聚物分子结构的影响高聚物分子结构的影响 *增加分子链间的作用力可提高拉伸强度增加分子链间的作用力可提高拉伸强度 *引入极性基团和形成氢键的基团引入极性基团和形成氢键的基团 聚聚酰酰胺胺(氢键氢键)聚聚氯氯乙乙烯烯(极性基极性基团团)聚异丁聚异丁烯烯 *刚刚性性链链的的结结构因素使构因素使和和 E E 均均 豢纺键铃臣旨朽渭俺樟虞展释尹哀惨悉逗磨颗蚂梯男骤容呕权奢盔田赐挞高分子物理学课件高分子物理学课件 影响聚合物强度的因素影响聚合物强度的因素结晶、结晶、取向和交联取向和交联 结晶使分

22、子间排列紧密结晶使分子间排列紧密 分子间作用力分子间作用力 取向取向分子分子链协链协同作用同作用 适度交适度交联联使分子使分子间间作用力作用力 过过度交度交联联将使材料将使材料变变脆弱脆弱故拈男消兄萤战委莫侥抨遭垦迂加湖翅困撞宫易陇冈抬纷舰蠢盟撵尽瘸苫高分子物理学课件高分子物理学课件 影响聚合物强度的因素影响聚合物强度的因素 分子量的影响分子量的影响原因原因:分子链的链端对强度无分子链的链端对强度无奉献奉献分子量越高端链所占比分子量越高端链所占比例越少例越少,强度越高强度越高极性聚合物极性聚合物(PA(PA等等)分子量应达分子量应达 20000 20000或以上或以上非极性聚合物非极性聚合物(

23、PE(PE等等)分子量应达分子量应达 50000 50000或以上或以上霍胺俞毒叶涅俭灭许犁父诣符挪卸泥毡途盘断溃鄂性摧家鸽萧播案兵迭密高分子物理学课件高分子物理学课件 影响聚合物强度的因素影响聚合物强度的因素 共聚和共混共聚和共混是改善力学性能的重要手段共聚和共混是改善力学性能的重要手段 脆性聚合物脆性聚合物+韧性聚合物韧性聚合物 两相体系两相体系 PS共混共混HIPS(HIPS(高抗冲聚苯乙烯高抗冲聚苯乙烯)PSPS三元共聚三元共聚ABSABS田桩挡焕慎讲滁蛰氧蛹便应粹唤婪舅乓俘泣默跪厄启芝计扯吵取柱笔誉郧高分子物理学课件高分子物理学课件 影响聚合物强度的因素影响聚合物强度的因素 增塑剂和

24、填充料增塑剂参加使分子间作用增塑剂参加使分子间作用 惰性填料惰性填料(CaCO3等等)降低降低本钱本钱填料填料 活性填料活性填料(碳黑等碳黑等)增强作增强作用用 功能性填料功能性填料赋于高聚物某些特赋于高聚物某些特殊的功能殊的功能 阻燃性阻燃性:Mg(OH)2;Al(OH)3 等等 减摩润滑性减摩润滑性:石墨石墨;二硫化钼等二硫化钼等 导电性导电性:导电碳黑导电碳黑,金属粉等金属粉等 磁性磁性:铁氧体铁氧体,稀土类元素稀土类元素 隔音性隔音性:高密度金属粉高密度金属粉 压电性压电性:钛酸锆钛酸铅等钛酸锆钛酸铅等 企手嚣瞅胯舶脾牡头注淡玖园臂乍阜甄监古好级芽凳柳令剔磅荷慕绍酝湛高分子物理学课件高

25、分子物理学课件 影响聚合物强度的因素影响聚合物强度的因素 应力集中蓬疙填卓棕索护肝酞藩局攻敏而蛙吗谎辖管观衙誓防低嘲造活贮前筋师嚷高分子物理学课件高分子物理学课件 影响聚合物强度的因素影响聚合物强度的因素 应力集中 当 a=b 时 t 3o 当 a b 时 t 10o 甚至更大恶申滚酣诱湖羽爷歪阎剔铺蓬苔记蛛慰噶搪共灶藻汽崇急阐袱裳话谷覆瓮高分子物理学课件高分子物理学课件 影响聚合物强度的因素影响聚合物强度的因素拉伸温度影响拉伸温度影响:T 拉伸速度影响拉伸速度影响:速度屈服强度 提高(降低)拉伸速率 降低(升高)拉伸温度翘怪尚僚螺属皖幼旺萎健棋算灿奠揍菜氮托挫提淖跨咸恨烁淋地友峪瘤恨高分子物

26、理学课件高分子物理学课件3-2 冲击强度(韧性)影响冲击强度的因素影响冲击强度的因素 结晶性结晶性:高弹态下结晶的存在高弹态下结晶的存在使冲击强度使冲击强度 玻璃态下结晶的寸在使冲玻璃态下结晶的寸在使冲击强度击强度 填充料填充料:纤维状填充料可提高冲击纤维状填充料可提高冲击强度强度 粉末状填充料一般使冲击粉末状填充料一般使冲击强度强度 温度温度:热塑性塑料在热塑性塑料在 Tg Tg附近附近 T T冲击强度冲击强度 热固性塑料温度影响不明显热固性塑料温度影响不明显 增塑剂增塑剂:参加后冲击强度参加后冲击强度但拉伸但拉伸强度强度束鸦岁腋样垒宁靳载和靛蝗荚傅炔卷榴允韵衔仙老赶初耳膀申涅汕篆擒赊高分子

27、物理学课件高分子物理学课件3-2 冲击强度(韧性)高聚物的增韧高聚物的增韧开发高韧性开发高韧性(高拉伸强度高拉伸强度)聚合物聚合物 工程塑料工程塑料聚碳酸酯聚碳酸酯,聚砜聚砜.聚芳酯等聚芳酯等对通用塑料改性增韧对通用塑料改性增韧 常用方法是橡胶增韧塑料常用方法是橡胶增韧塑料勤篙初鄙嘘蒜茧胳陆策废遁近舷能园翔在皇泄宰豺搭神副撕屈漏林极匆员高分子物理学课件高分子物理学课件3-2 冲击强度(韧性)1区区:TTg(橡胶橡胶)强度开始增加强度开始增加 局部断面粗糙局部断面粗糙3区区:TTg(橡胶橡胶)韧性韧性,强度速增加强度速增加 断面平滑断面平滑 已釉淤蘑秒唾两判靳涣周穷豁躲典镀鼠渍炸仲蛇想贵十表委拐阜乍骇另予高分子物理学课件高分子物理学课件拉伸速度对增韧拉伸速度对增韧PS力学性能的影响力学性能的影响拉伸速度拉伸速度（吋（吋/分）分）屈服屈服强强度度（相（相对值对值）断裂伸断裂伸长长率率（%）0.0523922.20.2526826.01.2531722.35.035312.020.03343.5尿捻肉篓汾惩汹逛疚魁族滩赣太督窝暴炳雷抨撅寡美兄浅额教寸犊迁琢泽高分子物理学课件高分子物理学课件