第4章 高分子材料的强度.ppt

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1、第4章 高分子材料的强度高分子材料性能学高分子材料性能学 本章主要内容本章主要内容1 1 高分子材料强度的微观理论和理论强度高分子材料强度的微观理论和理论强度 2 2 高聚物的主要力学强度高聚物的主要力学强度 3 3 高聚物强度的影响因素高聚物强度的影响因素 4 4 高分子材料的增强改性高分子材料的增强改性 5 5 高分子材料抗冲击强度和增韧改性高分子材料抗冲击强度和增韧改性2高分子材料性能学高分子材料性能学 重点难点：重点难点：高分子材料强度的微观理论（计算公式）高分子材料强度的微观理论（计算公式）高聚物强度的影响因素高聚物强度的影响因素 高分子材料抗冲击强度的测试原理与方法高分子材料抗冲击

2、强度的测试原理与方法 高分子材料的增强与增韧改性高分子材料的增强与增韧改性 3高分子材料性能学高分子材料性能学 4.1 4.1 高分子材料强度的微观理论高分子材料强度的微观理论 1.1.理论强度的原子分子论述理论强度的原子分子论述 材料的强度大小取决于主价键和次价键的强度。材料的强度大小取决于主价键和次价键的强度。主价键（化学键），键能较高，约主价键（化学键），键能较高，约100 KCamol100 KCamol-1-1。次价键（范德华力），约次价键（范德华力），约10 KCamol10 KCamol-1-1以上。以上。高聚物的断裂最终是主价键的断裂4高分子材料性能学高分子材料性能学 材料的本

3、征破裂能材料的本征破裂能 只有次价键的断裂，则只有次价键的断裂，则 5高分子材料性能学高分子材料性能学 假设试样形变时宏观应变假设试样形变时宏观应变等于微观应变等于微观应变 理论强度理论强度 大多数固体材料的理论大多数固体材料的理论E E间的关系：间的关系：各向同性高聚物，各向同性高聚物，b约为约为E/50E/100？6高分子材料性能学高分子材料性能学 表表 4-1 实际拉伸强度与理论强度的比较实际拉伸强度与理论强度的比较材料材料E(MPa)th（MPa）b(MPa)典型玻璃态高聚物典型玻璃态高聚物PMMA典型结晶高聚物如典型结晶高聚物如HDPE热固性高聚物如环氧树脂热固性高聚物如环氧树脂取向

4、高聚物纤维如尼龙取向高聚物纤维如尼龙6聚双乙炔单晶纤维聚双乙炔单晶纤维 300020003500600060,000300200350600600050207050020007高分子材料性能学高分子材料性能学 2.动力学理论（动力学理论（Zhurkov理论）理论）主价键从完整态主价键从完整态A A转变到断裂状态转变到断裂状态B B是一个活化过程，是一个活化过程，可用化学动力学方法处理，建立强度的动力学理论。可用化学动力学方法处理，建立强度的动力学理论。8高分子材料性能学高分子材料性能学 当应力增大到临界值当应力增大到临界值，使，使且链断裂速率超过逆向（键再生）速率，主价键断裂。且链断裂速率超过

5、逆向（键再生）速率，主价键断裂。据化学反应动力学理论，键断裂频率（据化学反应动力学理论，键断裂频率（）为为 试样实现破裂的时间试样实现破裂的时间 9高分子材料性能学高分子材料性能学 从从对对1/T1/T和和对对作图得到的直线的斜率作图得到的直线的斜率和截距可以计算和截距可以计算和和 10高分子材料性能学高分子材料性能学 3.Flory3.Flory分子网络理论分子网络理论 11高分子材料性能学高分子材料性能学 橡胶试样拉伸断裂的临界应力橡胶试样拉伸断裂的临界应力M Mn n 值愈大值愈大,单位体积内的自由链端数单位体积内的自由链端数值愈小，值愈小，交联密度交联密度值增大，承受应力的有效网链数增

6、加，值增大，承受应力的有效网链数增加，值也增大。值也增大。增大；增大；12高分子材料性能学高分子材料性能学 Taylor-Darin提出，拉伸断裂的临界应力取决于受提出，拉伸断裂的临界应力取决于受力方向取向的有效网链数力方向取向的有效网链数 为取向因子，表示与伸长轴呈有效角度为取向因子，表示与伸长轴呈有效角度以内的取向网链的比例以内的取向网链的比例 13高分子材料性能学高分子材料性能学 4.2 高聚物的理论强度高聚物的理论强度 高分子抵抗断裂的能力称为高分子的强度。高分子抵抗断裂的能力称为高分子的强度。高分子材料的破坏可能是高分子主链的化学键高分子材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分

7、子分子间滑脱或分子链间相互作用断裂或是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。力的破坏。从分子水平上看，高分子的断裂要破坏分子从分子水平上看，高分子的断裂要破坏分子内的化学键和分子间的范德华力与氢键。内的化学键和分子间的范德华力与氢键。14高分子材料性能学高分子材料性能学 内部结构的破坏可归结为以下三种情况：内部结构的破坏可归结为以下三种情况：化学键破坏化学键破坏分子间滑脱分子间滑脱范德华力或范德华力或氢键破坏氢键破坏15高分子材料性能学高分子材料性能学 理论强度的计算理论强度的计算1.化学键化学键举例：举例：共价键的键能为共价键的键能为335378KJ/mol（56 10-19J/键键）

8、键长键长1.5埃，两个原子的相互吸引力埃，两个原子的相互吸引力fw/d34 10-9N/键，对聚乙烯分子截面为键，对聚乙烯分子截面为20 1020m2则可以计算最大理则可以计算最大理论强度：论强度：2 1010N/m2，而实际的抗张强度仅为而实际的抗张强度仅为108N/m2原因：实际的聚合物达不到那种完全规整的水平，存在应原因：实际的聚合物达不到那种完全规整的水平，存在应力集中（杂质，小裂纹，空隙，缺口）力集中（杂质，小裂纹，空隙，缺口）16高分子材料性能学高分子材料性能学 2.分子间滑脱：分子间滑脱：断裂需要破坏分子链尺寸范围内的分子间作用力。断裂需要破坏分子链尺寸范围内的分子间作用力。氢键

9、：氢键：20KJ/mol，假设假设0.5nm有一个氢键，分子间的滑有一个氢键，分子间的滑脱尺寸为脱尺寸为100nm总能量可以达到总能量可以达到4000KJ/mol，即使没有即使没有氢键，氢键，05.nm的链段的内聚能假设为的链段的内聚能假设为5KJ/mol，100nm长长的分子链的内聚能的分子链的内聚能1000KJ/mol，比化学键来的高，所以比化学键来的高，所以发生这种断裂是不可能的。发生这种断裂是不可能的。17高分子材料性能学高分子材料性能学 3.断裂需要克服的是断面部分的分子间力，断裂需要克服的是断面部分的分子间力，氢键：氢键：20KJ/mol，作用范围作用范围0.3nm，破坏一个氢键需

10、要破坏一个氢键需要1 10-10N，范德华力范德华力8KJ/mol，作用范围作用范围0.4nm，破坏一破坏一对范德华力需要对范德华力需要3 10-10N，假设每假设每0.25nm2有一个氢键或有一个氢键或范德华键，拉伸强度为范德华键，拉伸强度为4 108Pa，1.2 108Pa。18高分子材料性能学高分子材料性能学 在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度在几千度在几千MPa，而实际只有几十而实际只有几十MPa。PA,60 MPaPPO,70 MPa理论值与实验结果相差理论值与实验结果相差原因原因样条存在缺陷样条存在缺陷应力集中应力集中？1

11、9高分子材料性能学高分子材料性能学 链末端链末端 链缠结链缠结 可能导致聚合物强度下降的微观结构细节示意图可能导致聚合物强度下降的微观结构细节示意图次价键次价键 交联点交联点 片晶内缺陷片晶内缺陷分离的异物分离的异物 微空洞微空洞 填料粒子填料粒子（相容性差）（相容性差）结晶区域结晶区域 层间区层间区（无定型区）（无定型区）微区微区边界边界20高分子材料性能学高分子材料性能学 4.3 高聚物的主要力学强度高聚物的主要力学强度 高聚物的高聚物的力学强度力学强度张应力张应力拉伸强度拉伸强度弯曲力矩弯曲力矩抗弯强度抗弯强度压应力压应力抗压强度抗压强度拉伸模量拉伸模量弯曲模量弯曲模量循环应力循环应力

12、疲劳强度疲劳强度 冲击冲击 冲击强度冲击强度 21高分子材料性能学高分子材料性能学 1 抗拉强度 抗拉强度愈大，说明材料愈不易断裂、愈结实抗拉强度愈大，说明材料愈不易断裂、愈结实 2 抗弯（曲）强度 u弯曲屈服强度是指某些非脆性材料，当载荷达到某一值时，弯曲屈服强度是指某些非脆性材料，当载荷达到某一值时，其变形继续增加而载荷不增加时的强度其变形继续增加而载荷不增加时的强度 22高分子材料性能学高分子材料性能学 3 抗压强度 f f 为试样原截面积为试样原截面积 4 疲劳强度 试样承受循环应力而产生循环应变，以致使试样试样承受循环应力而产生循环应变，以致使试样力学性能减弱或破坏时的强度力学性能减

13、弱或破坏时的强度 23高分子材料性能学高分子材料性能学 5 冲击强度 高聚物材料的冲击强度是材料在高速冲击状态下的高聚物材料的冲击强度是材料在高速冲击状态下的韧性或抗断裂的度量，是指标准试样在断裂时单位韧性或抗断裂的度量，是指标准试样在断裂时单位面积上所需的能量面积上所需的能量 。W为冲击锤之重量；为冲击锤之重量；l为冲击锤之摆长；为冲击锤之摆长；为冲击锤冲击前之扬为冲击锤冲击前之扬角；角；为冲击锤冲断试样后的升角为冲击锤冲断试样后的升角 24高分子材料性能学高分子材料性能学 4.4 影响高聚物强度的因素影响高聚物强度的因素 u凡是有利于提高材料的弹性模量、有利于增加断凡是有利于提高材料的弹性

14、模量、有利于增加断裂过程的表面功和增加分子稳定性的因素，都使材裂过程的表面功和增加分子稳定性的因素，都使材料的强度提高；料的强度提高；u凡是使材料形成弱点而增加应力分布的不均匀性凡是使材料形成弱点而增加应力分布的不均匀性的因素，都使材料的强度下降。的因素，都使材料的强度下降。25高分子材料性能学高分子材料性能学 1 化学结构化学结构 u主链含有芳杂环的高聚物，其强度和模量都比脂主链含有芳杂环的高聚物，其强度和模量都比脂肪族主链高肪族主链高 u材料的强度取决于主价键和次价键，因此高分子材料的强度取决于主价键和次价键，因此高分子材料的化学结构是影响其强度的根本因素。材料的化学结构是影响其强度的根本

15、因素。u增加取代基的极性或产生氢键可使强度提高，极增加取代基的极性或产生氢键可使强度提高，极性基团或氢键的密度愈大，强度愈高。性基团或氢键的密度愈大，强度愈高。26高分子材料性能学高分子材料性能学 2 分子量分子量 超过最小聚合度，随分子量超过最小聚合度，随分子量增大，材料强度逐步增大。但增大，材料强度逐步增大。但当分子量相当大，材料强度主当分子量相当大，材料强度主要取决于化学键能的大小，不要取决于化学键能的大小，不再依赖分子量而变化。再依赖分子量而变化。分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）起决定性作用的结构参数。起决定性作用

16、的结构参数。不同聚合物，要求的最小聚合度不同不同聚合物，要求的最小聚合度不同27高分子材料性能学高分子材料性能学 3 3 结晶结晶主要影响因素有结晶度、晶粒尺寸和晶体结构主要影响因素有结晶度、晶粒尺寸和晶体结构结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹性模量均提高，但断裂伸长率和韧性下降性模量均提高，但断裂伸长率和韧性下降均匀小球晶能使材料的强度、伸长率、模量和韧均匀小球晶能使材料的强度、伸长率、模量和韧性得到提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降性得到提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降伸直链晶体的拉伸强度最大，串晶次之，球晶伸直链晶体的拉伸强

17、度最大，串晶次之，球晶最小最小28高分子材料性能学高分子材料性能学 表表4-5 聚丙烯拉伸性能与球晶尺寸的关系聚丙烯拉伸性能与球晶尺寸的关系球晶尺寸球晶尺寸/拉伸拉伸强强度度/MPa断裂伸断裂伸长长率率/1030.050010022.52520012.52529高分子材料性能学高分子材料性能学 4 4 交联交联交联可以提高材料抗蠕变能力，提高断裂强度。交联可以提高材料抗蠕变能力，提高断裂强度。适度交联强度增加；适度交联强度增加；过度交联将使材料变脆弱过度交联将使材料变脆弱橡胶的拉伸强度与交联剂用量的关系橡胶的拉伸强度与交联剂用量的关系30高分子材料性能学高分子材料性能学 5 5 取向取向取向使

18、力学性能产生各向异性，在取向方向得到增强取向使力学性能产生各向异性，在取向方向得到增强 对对于于脆脆性性材材料料，平平行行于于取取向向方方向向的的强强度度、模模量量和和伸伸长长率提高，垂直于取向方向的强度和伸长率降低。率提高，垂直于取向方向的强度和伸长率降低。对于塑性、易结晶材料，在平行于取向方向的强度、对于塑性、易结晶材料，在平行于取向方向的强度、模量提高，在垂直于取向方向的强度下降，伸长率增大。模量提高，在垂直于取向方向的强度下降，伸长率增大。31高分子材料性能学高分子材料性能学 表表4-6 双轴取向和未取向塑料薄膜的比较双轴取向和未取向塑料薄膜的比较高聚物及状高聚物及状态态性性 能能PS

19、PMMA未取向未取向双双轴轴取向取向未取向未取向双双轴轴取向取向拉伸拉伸强强度，度，MPa断裂伸断裂伸长长率，率，346213.6488281852695155576255032高分子材料性能学高分子材料性能学 6 6 温度与形变速率的影响温度与形变速率的影响温度升高，材料屈服强度明显降低，对断裂强度温度升高，材料屈服强度明显降低，对断裂强度影响较小影响较小.拉伸速率提高屈服强度上升拉伸速率提高屈服强度上升.33高分子材料性能学高分子材料性能学 7 应力集中物应力集中物 缺陷的存在将使材料受力时内部压力分布不平均，缺缺陷的存在将使材料受力时内部压力分布不平均，缺陷附近范围内的应力急剧地增加，远

20、远超过压力平均值，陷附近范围内的应力急剧地增加，远远超过压力平均值，这种现象称为应力集中，缺陷就是应力集中物这种现象称为应力集中，缺陷就是应力集中物 纤维直径减小有利于减小纤维表里的差别，降低缺陷纤维直径减小有利于减小纤维表里的差别，降低缺陷出现的概率。出现的概率。锐口的小裂缝甚至比钝口的较大缺陷造成更大的应力锐口的小裂缝甚至比钝口的较大缺陷造成更大的应力集中集中 34高分子材料性能学高分子材料性能学 表表4-7 几种高聚物室温下产生裂纹的临界应力几种高聚物室温下产生裂纹的临界应力高聚物高聚物临临界界应应力力（kg/cm2）临临界界应变应变(%)tmax（h）屈服屈服应应力力（kg/cm2）聚

21、苯乙聚苯乙烯烯1130.3524703有机玻璃有机玻璃2461.30.1914聚苯聚苯醚醚4291.524703聚碳酸聚碳酸酯酯4301.5024633tmax是指在临界应力和临界应变下产生裂纹所需的最大时间是指在临界应力和临界应变下产生裂纹所需的最大时间35高分子材料性能学高分子材料性能学 8 8 填料和增塑剂填料和增塑剂 惰性填料增强作用：惰性填料增强作用：在较低的填充范围内，填充后的高聚物其弹性模量可提高（1+A+B2）倍，这种现象称为体积效应，也称为增强体积分数。当超出一定的用量范围，拉伸强度和模量均明显下降 增塑剂的加入对高聚物起了稀释作用，减少了高分子增塑剂的加入对高聚物起了稀释作

22、用，减少了高分子链之间的作用力，因而强度降低，强度的降低值与增塑链之间的作用力，因而强度降低，强度的降低值与增塑剂的加入量约成正比剂的加入量约成正比 36高分子材料性能学高分子材料性能学 表表4-8 CaCO3对软对软PVC的影响的影响填充系数填充系数（以塑料（以塑料为为100）拉伸拉伸强强度度/MPa断裂伸断裂伸长长率率/%杨杨氏模量氏模量/Mpa0510255010019.119.520.019.517.012.238036533537532026010.2410.3810.4811.5211.068.6937高分子材料性能学高分子材料性能学 4.5 高分子材料的增强改性高分子材料的增强改

23、性 1 高分子材料的强化原理（1）在大分子链中引入极性基团或能形成氢键的基团）在大分子链中引入极性基团或能形成氢键的基团（2）对高聚物链段进行适度的交联，可以提高强度）对高聚物链段进行适度的交联，可以提高强度（3）提高高聚物的结晶度；加入成核剂形成微晶；取向）提高高聚物的结晶度；加入成核剂形成微晶；取向（4）定向聚合制备结构规整均一的高聚物，提高结构的）定向聚合制备结构规整均一的高聚物，提高结构的均一性均一性 38高分子材料性能学高分子材料性能学 （1）.引入极性基引入极性基a.a.增加高分子极性或产生氢键增加高分子极性或产生氢键尼龙尼龙610610，60MPa60MPa尼龙尼龙6666，80

24、MPa80MPab.b.引入芳杂环引入芳杂环聚间苯二酰间苯二胺聚间苯二酰间苯二胺80120MPa39高分子材料性能学高分子材料性能学 （2）.链段交联链段交联适度交联强度增加；适度交联强度增加；过度交联将使材料变脆弱过度交联将使材料变脆弱橡胶的拉伸强度与交联剂用量的关系橡胶的拉伸强度与交联剂用量的关系40高分子材料性能学高分子材料性能学 3）.结晶度和取向结晶度和取向提高结晶度，材料强度提高提高结晶度，材料强度提高加入成核剂，生成微晶能使材料的强度和韧性加入成核剂，生成微晶能使材料的强度和韧性得到提高得到提高取向使力学性能产生各向异性，取向使力学性能产生各向异性，在取向方向得到增强在取向方向得

25、到增强4）.定向聚合定向聚合提高高分子材料的结构均一性提高高分子材料的结构均一性41高分子材料性能学高分子材料性能学 （5）.填料增强填料增强粒子（粒子（PowderPowder）纤维纤维 FiberFiber液晶液晶 Liquid CrystalLiquid Crystal 改性的基本思想是用填充、混合、复合等方法，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物基体中，提高材料的力将增强材料加入到聚合物基体中，提高材料的力学强度或其它性能。学强度或其它性能。42高分子材料性能学高分子材料性能学 （1 1）、粒子增强）、粒子增强 按性能可分为活性粒子和惰性粒子两类按性能可分为

26、活性粒子和惰性粒子两类a.活性粒子增强活性粒子增强橡胶橡胶+碳黑碳黑增强机理增强机理43高分子材料性能学高分子材料性能学 表表4-9 几种橡胶采用炭黑增强的效果对比几种橡胶采用炭黑增强的效果对比橡胶橡胶拉伸拉伸强强度度/MPa增增强强倍数倍数纯纯胶胶含炭黑橡含炭黑橡胶胶非非结结晶型晶型硅橡胶硅橡胶0.3413.740丁苯橡胶丁苯橡胶1.9619.010丁丁腈腈橡胶橡胶1.9619.610结结晶型晶型天然橡胶天然橡胶19.031.41.6氯氯丁橡胶丁橡胶14.725.01.7丁基橡胶丁基橡胶17.618.61.1白炭黑补强白炭黑补强44高分子材料性能学高分子材料性能学 b.b.惰性粒子增强惰性粒

27、子增强粉状填料经硬脂酸处理填充粉状填料经硬脂酸处理填充HDPE的的SEM图图 上图：硬脂酸用量上图：硬脂酸用量0.9%下图：下图：1.5%惰性粒子，需要经过惰性粒子，需要经过化学改性赋予粒子表化学改性赋予粒子表面一定的活性，才具面一定的活性，才具有增强作用。有增强作用。45高分子材料性能学高分子材料性能学 （2 2）、纤维增强）、纤维增强常用的纤维材料常用的纤维材料玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维硼纤维硼纤维天然纤维天然纤维基体材料基体材料热固性树脂热固性树脂热塑性树脂热塑性树脂橡胶类材料橡胶类材料46高分子材料性能学高分子材料性能学 玻璃钢船玻璃钢船玻璃纤维玻璃纤维+聚酯聚酯增强机理：纤维作为骨

28、架帮助基体承担载荷增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷碳纤维碳纤维47高分子材料性能学高分子材料性能学 表表4-10 玻璃纤维增强的某些热塑性塑料的性能玻璃纤维增强的某些热塑性塑料的性能拉伸拉伸强强度度/弹弹性模性模量量/材料材料伸伸长长率率/冲冲击击强强度度（缺口）（缺口）/Jm-1热变热变形温度形温度（1.86MPa）/K聚乙聚乙烯烯 未增未增强强2256078.50.78321聚乙聚乙烯烯 增增强强7553.82366.19399聚苯乙聚苯乙烯烯 未增未增强强5792.015.72.75358聚苯乙聚苯乙烯烯 增增强强9601.11318.34377聚碳酸聚碳酸酯酯 未增未增强强618

29、601666282.16405471聚碳酸聚碳酸酯酯 增增强强13701.719647011.7420422尼尼龙龙66 未增未增强强68660542.75339359尼尼龙龙66 增增强强20602.21995.9812.55473聚甲聚甲醛醛 未增未增强强6866074.52.75383聚甲聚甲醛醛 增增强强8241.5425.5944148高分子材料性能学高分子材料性能学 纤维增强的机理纤维增强的机理例：尼龙例：尼龙+玻纤玻纤/碳纤维碳纤维/晶须晶须/硼纤维硼纤维增强效果与纤维的长度、纤维与聚合物之间的界面粘增强效果与纤维的长度、纤维与聚合物之间的界面粘结力有关结力有关49高分子材料性能

30、学高分子材料性能学 玻璃纤维增强玻璃纤维增强PP树脂，纤树脂，纤维表面未经处理维表面未经处理纤维含量：纤维含量：30%（w）玻璃纤维增强玻璃纤维增强PP树脂，纤维树脂，纤维表面经偶联处理表面经偶联处理 纤维含量：纤维含量：30%（w）50高分子材料性能学高分子材料性能学 （3 3）液晶原位增强）液晶原位增强增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微纤增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微纤结构而到增强作用。由于微纤结构是加工过程中由液晶棒状结构而到增强作用。由于微纤结构是加工过程中由液晶棒状分子在共混物基体中就地形成的，故称做分子在共混物基体中就地形成的，故称做“原位原位”

31、复合增强。复合增强。热致液晶热致液晶+热塑性聚合物热塑性聚合物51高分子材料性能学高分子材料性能学 4.6 高分子材料抗冲击强度高分子材料抗冲击强度 材料的抗冲击性能和它的韧性有关，韧性是指材料破坏前材料的抗冲击性能和它的韧性有关，韧性是指材料破坏前吸收外界能量的能力。吸收外界能量的能力。高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。冲击强度的测试方法很多，应用较广的有冲击强度的测试方法很多，应用较广的有摆锤式冲击摆锤式冲击试验试验、落重式冲击试

32、验落重式冲击试验和和高速拉伸高速拉伸等三类。等三类。52高分子材料性能学高分子材料性能学 1 冲击强度及测试方法 摆锤冲击强度：悬臂梁式冲击试验机（摆锤冲击强度：悬臂梁式冲击试验机（Izod）和和简支梁式冲击试验机（简支梁式冲击试验机（Charpy）。）。CharpyIzod53高分子材料性能学高分子材料性能学 2.2.影响高分子材料韧性的因素影响高分子材料韧性的因素（1）分子链结构：柔性、刚性；分子量）分子链结构：柔性、刚性；分子量（2）缺口与应力集中物）缺口与应力集中物（4）结晶和取向）结晶和取向（5）共聚与共混、填充）共聚与共混、填充热钝化效应热钝化效应（3）温度）温度54高分子材料性能

33、学高分子材料性能学 4.7 4.7 高分子材料的增韧改性高分子材料的增韧改性(1)(1)增塑剂与冲击韧性增塑剂与冲击韧性添加增塑剂使分子间作用添加增塑剂使分子间作用力减小，链段以至大分子力减小，链段以至大分子易于运动，则使得高分子易于运动，则使得高分子材料的冲击韧性提高。但材料的冲击韧性提高。但某些增塑剂在添加量较少某些增塑剂在添加量较少时，有反增塑作用，反使时，有反增塑作用，反使冲击韧性下降冲击韧性下降55高分子材料性能学高分子材料性能学 (2)弹性体增韧塑料弹性体增韧塑料a.“a.“细胞细胞”结构结构弹性体增韧塑料是将少量的弹性体（弹性体增韧塑料是将少量的弹性体（5%20%）分散在塑料基体

34、中，使其塑料具有较高的冲击强分散在塑料基体中，使其塑料具有较高的冲击强度和断裂伸长率。度和断裂伸长率。b.b.海海-岛结构岛结构c.c.网眼结构网眼结构56高分子材料性能学高分子材料性能学 .弹性体增韧机理弹性体增韧机理a.a.微裂纹理论微裂纹理论 塑料应变时，在其内部产生很多微裂纹，橡胶塑料应变时，在其内部产生很多微裂纹，橡胶粒子横跨在裂纹上，阻止裂纹进一步扩展，裂纹扩粒子横跨在裂纹上，阻止裂纹进一步扩展，裂纹扩展就必须拉伸橡胶粒子，因此吸收能量，提高材料展就必须拉伸橡胶粒子，因此吸收能量，提高材料韧性韧性 不足：过分强调了橡胶的增韧作用，忽略了橡胶不足：过分强调了橡胶的增韧作用，忽略了橡胶

35、与塑料基体间的相互作用与塑料基体间的相互作用57高分子材料性能学高分子材料性能学 b.b.多重银纹理论多重银纹理论由于塑料和橡胶两相的泊松比不同，导致材料受冲击时，由于塑料和橡胶两相的泊松比不同，导致材料受冲击时，应力场不再均匀，橡胶粒子起到应力集中的作用，应力应力场不再均匀，橡胶粒子起到应力集中的作用，应力集中使橡胶粒子表面，尤其是赤道附近诱发银纹，银纹集中使橡胶粒子表面，尤其是赤道附近诱发银纹，银纹沿最大主应力平面生长，当银纹端部的应力集中低于临沿最大主应力平面生长，当银纹端部的应力集中低于临界值或遇到另一橡胶粒子时，银纹便终止。界值或遇到另一橡胶粒子时，银纹便终止。a.SAN/SBR-g

36、-SAN共混物的多重银纹的TEM照片（80000）即橡胶粒子不仅诱发银纹，即橡胶粒子不仅诱发银纹，而且能控制银纹而且能控制银纹58高分子材料性能学高分子材料性能学 c.c.剪切屈服理论剪切屈服理论 橡胶粒子的应力集中引起塑料基体局部剪切屈服，橡胶粒子的应力集中引起塑料基体局部剪切屈服，产生大量与应力方向呈产生大量与应力方向呈4545的局部剪切带，剪切带的局部剪切带，剪切带的引发核增长过程消耗大量能量，达到增韧。的引发核增长过程消耗大量能量，达到增韧。塑料塑料/橡胶共混物冲击断面剪切屈服形态的橡胶共混物冲击断面剪切屈服形态的SEMSEM照片照片须根结构须根结构勾丝结构勾丝结构59高分子材料性能学

37、高分子材料性能学 d.d.空穴化理论空穴化理论 在外力作用下在外力作用下,分散相橡胶粒子作为应力集中点分散相橡胶粒子作为应力集中点,在其在其周围产生三维应力。橡胶粒子赤道面的基体受到来自粒子周围产生三维应力。橡胶粒子赤道面的基体受到来自粒子压应力的作用产生剪切屈服压应力的作用产生剪切屈服;同时由于最大的应力集中在同时由于最大的应力集中在粒子的两极粒子的两极,当界面黏结较弱时当界面黏结较弱时,两极发生界面脱黏两极发生界面脱黏,并扩并扩展到粒子的大部分表面展到粒子的大部分表面,从而在橡胶粒子周围产生空洞从而在橡胶粒子周围产生空洞,空洞附近基体的应力状态受到改变而产生剪切屈服空洞附近基体的应力状态受

38、到改变而产生剪切屈服,并向并向周围扩展周围扩展,使整个基体发生塑性形变。空化本身不能构成使整个基体发生塑性形变。空化本身不能构成材料脆韧转变材料脆韧转变,它只是导致材料从平面应变向平面应力转它只是导致材料从平面应变向平面应力转化化,从而引发剪切屈服从而引发剪切屈服,阻止裂纹进一步扩展阻止裂纹进一步扩展,从而吸收从而吸收大量的冲击能大量的冲击能,使材料的韧性提高。使材料的韧性提高。60高分子材料性能学高分子材料性能学 .影响增韧效果的结构因素影响增韧效果的结构因素a.弹性体相的结构：低剪切模量、低弹性体相的结构：低剪切模量、低Tgb.弹性体粒子的尺寸与分布：弹性体粒子的尺寸与分布：5mc.粒子的

39、形态结构与交联粒子的形态结构与交联d.基体塑料的结构基体塑料的结构e.相界面黏结相界面黏结61高分子材料性能学高分子材料性能学 (3)非弹性体增韧塑料非弹性体增韧塑料a.有机刚性粒子增韧有机刚性粒子增韧PMMAPMMA、PSPS、SANSAN粒子粒子基体的弹性模量（基体的弹性模量（E1）和泊松比（和泊松比（v1）与刚性粒子的模与刚性粒子的模量（量（E2）和泊松比（和泊松比（v2）的关系：的关系：E2E1，v2v1冷拉机理：增韧共混物在拉伸过程中，由于有机刚冷拉机理：增韧共混物在拉伸过程中，由于有机刚性粒子与基体间模量和泊松比不同，在分散相的赤性粒子与基体间模量和泊松比不同，在分散相的赤道面产生

40、较高的静拉力，当达到一定值时，刚性分道面产生较高的静拉力，当达到一定值时，刚性分散相粒子屈服而产生冷拉，发生较大的塑性变形，散相粒子屈服而产生冷拉，发生较大的塑性变形，消耗能量使韧性提高消耗能量使韧性提高62高分子材料性能学高分子材料性能学 b.无机刚性粒子（无机刚性粒子（RIF）增韧增韧玻璃微珠，碳酸钙微粒玻璃微珠，碳酸钙微粒机理：机理：当基体材料受到冲击时容易引发当基体材料受到冲击时容易引发RIFRIF粒子周粒子周围的基体产生微裂纹，围的基体产生微裂纹，RIFRIF粒子的存在使这些微裂粒子的存在使这些微裂纹的扩展受阻或钝化，或纹的扩展受阻或钝化，或RIFRIF粒子表面脱黏产生新粒子表面脱黏

41、产生新的微裂纹，从而消耗大量能量而增韧。的微裂纹，从而消耗大量能量而增韧。RIFRIF粒子粒径越小，粒子比表面积增大，粒子与基体接触面粒子粒径越小，粒子比表面积增大，粒子与基体接触面积增大，材料在受冲击时会引发更多的微裂纹，从而消耗更积增大，材料在受冲击时会引发更多的微裂纹，从而消耗更多的能量，增韧效果更好。多的能量，增韧效果更好。63高分子材料性能学高分子材料性能学 表表4-11 弹性体增韧和非弹性体增韧方法比较弹性体增韧和非弹性体增韧方法比较增增韧韧方法方法弹弹性体增性体增韧韧非非弹弹性体增性体增韧韧(刚刚性有机填料性有机填料ROF)增增韧剂韧剂性性质质被增被增韧韧基体性基体性质质增增韧剂

42、韧剂用量用量两相相容性两相相容性增增韧韧改性效果改性效果增增韧韧机理机理软软橡胶橡胶类类材料，模量低，材料，模量低，Tg低，低，流流动动性差。性差。既可以是脆性高分子基体，也既可以是脆性高分子基体，也可以是可以是韧韧性高分子基体。性高分子基体。一般来一般来说说，改性，改性剂剂用量越多，用量越多，增增韧韧效果越好。效果越好。要求增要求增韧剂韧剂与基体有良好相容与基体有良好相容性。性。可以明可以明显显改善脆性基体的改善脆性基体的韧韧性，性，但同但同时时使基体的使基体的强强度，流度，流动动性性和耐和耐热变热变形性受到形性受到损损失。失。引引发发基体形成基体形成“银纹银纹”，“空穴化空穴化”,或形成或

43、形成“剪切剪切带带”，吸收，吸收变变形形能。能。硬聚合物材料，模量高，硬聚合物材料，模量高，Tg高，流高，流动动性好。性好。要求基体有一定程度要求基体有一定程度韧韧性，易于性，易于发发生脆生脆韧转变韧转变。在恰当小用量下，改性效果明在恰当小用量下，改性效果明显显；用量偏大，改性效果消失。用量偏大，改性效果消失。要求增要求增韧剂韧剂与基体有良好相容性。与基体有良好相容性。可以同可以同时时改善基体的改善基体的韧韧性和性和强强度，度，达到既增达到既增韧韧又增又增强强的目的，同的目的，同时时不不损损坏材料的可加工流坏材料的可加工流动动性。性。要求基体的模量小于要求基体的模量小于ROF粒子模量，粒子模量，基体泊松比大于粒子泊松比，使基体泊松比大于粒子泊松比，使ROF粒子粒子发发生生“冷拉冷拉变变形形”，吸收，吸收变变形能。形能。64