(15)--第六章-高分子材料的力学强度与破坏.ppt

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1、高分子物理学高分子物理学Polymer Physics 上篇上篇 结构与分子运动篇结构与分子运动篇第第1章章 绪论绪论 第第2章章 高分子的链结构高分子的链结构 第第3章章 高分子材料的凝聚态结构高分子材料的凝聚态结构 第第4章章 大分子运动及高分子材料的力学状态大分子运动及高分子材料的力学状态 下篇下篇 材料性能与功能篇材料性能与功能篇第第5章章 高分子材料的高弹性和黏弹性高分子材料的高弹性和黏弹性 第第6章章 高分子材料的力学强度及破坏高分子材料的力学强度及破坏 第第7章章 高分子溶液性质及应用高分子溶液性质及应用 第第8章章 高分子液体的流变性高分子液体的流变性 第第9章章 高分子材料的

2、热学性能高分子材料的热学性能 第第10章章 高分子材料的电学性能和光学性能高分子材料的电学性能和光学性能 目目录录Contents第第6章章 高分子材料的力学强度及破坏高分子材料的力学强度及破坏 本章主要内容本章主要内容第第1节节高分子材料的应力高分子材料的应力-应变特性应变特性11应力应变曲线及其类型应力应变曲线及其类型12影响应力影响应力-应变行为的外部因素应变行为的外部因素13关于屈服变形的讨论关于屈服变形的讨论14强迫高弹形变与强迫高弹形变与“冷拉伸冷拉伸”第第2节节高分子材料的破坏和强度高分子材料的破坏和强度21宏观破坏方式宏观破坏方式22关于断裂过程的讨论关于断裂过程的讨论23高分

3、子材料的强度高分子材料的强度24高分子材料的增强改性高分子材料的增强改性第第3节节聚合物断裂力学聚合物断裂力学31线弹性断裂力学线弹性断裂力学32弹塑性断裂理论，弹塑性断裂理论，J 积分积分第第4节节高分子材料的抗冲击性能和增韧改性高分子材料的抗冲击性能和增韧改性41抗冲击强度抗冲击强度42影响抗冲击性能的因素影响抗冲击性能的因素43高分子材料的增韧改性高分子材料的增韧改性 第第1节节 高分子材料的应力高分子材料的应力-应变特性应变特性 11 应力应变曲线及其类型 111单轴拉伸实验单轴拉伸实验 图图6-1 哑铃型标准试样示意图哑铃型标准试样示意图（6-2）（6-1）注意此处定义的应力注意此处

4、定义的应力等于拉力除以试样原始截面积等于拉力除以试样原始截面积A0，这种应力称为这种应力称为工程应力工程应力或标称应力（或标称应力（nominalstress）；）；相应地，相应地，称为称为工程应变工程应变或标称应变（或标称应变（nominal strainnominal strain）图图7-2典型的拉伸应力典型的拉伸应力-应变曲线应变曲线 典型高分子材料拉伸应力典型高分子材料拉伸应力-应变曲线应变曲线 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院（2 2）极大值）极大值Y点称材料的屈服点，其对应的应力

5、、应变分别称屈服应力（或屈服点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）强度）和屈服应变和屈服应变 。（3 3）到达）到达B点发生断裂。与点发生断裂。与B点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）裂强度）和断裂伸长率和断裂伸长率 ，它们是材料发生破坏的极限强度和极限，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。伸长率。（4）曲线下的面积等于）曲线下的面积等于（7-3）相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为Jm-3，称断裂能或断裂功。它是，称断裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个

6、物理量。表征材料韧性的一个物理量。曲线特征曲线特征（1）OA段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力-应变呈直线关系变化，应变呈直线关系变化，直线斜率直线斜率 相当于材料弹性模量。相当于材料弹性模量。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院 由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应变曲线具有多种形由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类状。归纳起来，可分为五类。图图7-3高分子材料应力高分子材料应力-应应变曲线的类型变曲线

7、的类型（a）硬而脆型）硬而脆型（b）硬而强型）硬而强型（c）硬而韧型）硬而韧型（d）软而韧型）软而韧型（e）软而弱型）软而弱型曲线的类型曲线的类型 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院（a）（b）虚线为工程应力曲线；实线为真应力曲线）虚线为工程应力曲线；实线为真应力曲线图图6-4（a）圆柱形压缩实验样品；（）圆柱形压缩实验样品；（b）聚碳酸酯的拉伸和压缩应力）聚碳酸酯的拉伸和压缩应力-应变曲线应变曲线对比看出压缩强度往往大于拉伸强度。对拉伸实验，工程应力曲线比真应力曲线低；对比看出压缩强度往往大于

8、拉伸强度。对拉伸实验，工程应力曲线比真应力曲线低；对压缩实验，工程应力曲线比真应力曲线高。对压缩实验，工程应力曲线比真应力曲线高。112单轴压缩实验单轴压缩实验 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院121温度的影响温度的影响图图7-4聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变曲线随环境温度的变化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下）环境温度对高分子材料拉伸行为的环境温度对高分子材料拉伸行为的影响十分显著。温度升高，分子链段影响十分显著。温度升高，分子链段热运动加剧，松弛过程加快，表现

9、出热运动加剧，松弛过程加快，表现出材料模量和强度下降，伸长率变大，材料模量和强度下降，伸长率变大，应力应变曲线形状发生很大变化。应力应变曲线形状发生很大变化。材料的拉伸断裂强度材料的拉伸断裂强度 和屈和屈服强度服强度 随环境温度而发生变随环境温度而发生变化。屈服强度受温度变化的影响更化。屈服强度受温度变化的影响更大些。大些。12 影响应力影响应力-应变行为的外部因素应变行为的外部因素 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院图图7-5断裂强度断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势和屈服强度随温度的变化趋势

10、 虚线虚线高拉伸速率高拉伸速率实线实线低拉伸速率低拉伸速率 在温度升高过程中，材料发生在温度升高过程中，材料发生脆脆-韧转变。两曲线交点对应的温韧转变。两曲线交点对应的温度称度称脆脆-韧转变温度韧转变温度 。当环境温度小于当环境温度小于 时，材料时，材料的的 ，受外力作用时，受外力作用时，材料未屈服前先已断裂，呈脆性材料未屈服前先已断裂，呈脆性断裂特征。断裂特征。环境温度高于环境温度高于 时，时，受，受外力作用时，材料先屈服，出现细颈和很大变外力作用时，材料先屈服，出现细颈和很大变形后才断裂，呈韧性断裂特征。形后才断裂，呈韧性断裂特征。材料的材料的脆脆-韧转变韧转变 School of Pol

11、ymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院122形变速率的影响形变速率的影响 减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。温等效原理在高分子力学行为中的体现。图图7-6断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势实线低环境温度 虚线高环境温度 与脆与脆-韧转变温度相似，根据韧转变温度相似，根据图中两曲线交点，可以定义脆图中两曲线交点，可以定义脆-韧转变（拉伸）速率韧转变（拉伸）速率 。

12、拉。拉伸速率高于伸速率高于 时，材料呈脆时，材料呈脆性断裂特征；低于性断裂特征；低于 时，呈时，呈韧性断裂特征。韧性断裂特征。拉伸速率对材料的断裂强度拉伸速率对材料的断裂强度 和屈服强度和屈服强度 也有明显影响也有明显影响。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院123环境压力的影响环境压力的影响图图7-7聚苯乙烯的应力聚苯乙烯的应力-应变曲线应变曲线随环境压力的变化（随环境压力的变化（T=31）右图可见，右图可见，PSPS在低环境压力（常压）在低环境压力（常压）下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长下呈脆

13、性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低。随着环境压力升高，材料率都很低。随着环境压力升高，材料强度增高，伸长率变大，出现典型屈强度增高，伸长率变大，出现典型屈服现象，材料发生脆服现象，材料发生脆-韧转变。韧转变。研究发现，对许多非晶聚合物，研究发现，对许多非晶聚合物，如如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韧转变韧转变行为还与环境压力有关。行为还与环境压力有关。两种转变方式有很大差别。温度升高使材料变两种转变方式有很大差别。温度升高使材料变韧，但同时材料拉伸强度明显受损。另一方面，韧，但同时材料拉伸强度明显受损。另一方面，升高环境压力也使材料变韧，在增韧同时材料升高环境压力也使材料变韧，在增韧同时材料

14、的强度也得到提高，材料变得强而韧。的强度也得到提高，材料变得强而韧。两种脆两种脆-韧转变的差别韧转变的差别 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院1）剪切屈服）剪切屈服 图图6-11拉力作用下聚碳酸酯试样中产生拉力作用下聚碳酸酯试样中产生“颈缩颈缩”和剪切屈服带的照片和剪切屈服带的照片注意剪切屈服带与应力方向成注意剪切屈服带与应力方向成45度角，出现剪切屈服带的区域开始出现度角，出现剪切屈服带的区域开始出现“颈缩颈缩”剪切屈服是最重要的屈服形式。拉伸应力剪切屈服是最重要的屈服形式。拉伸应力-应变实验

15、中，试样发生屈服时在试样应变实验中，试样发生屈服时在试样中部经常出现中部经常出现“颈缩颈缩”（neck-down）现象，颈缩处出现与拉伸方向大约成）现象，颈缩处出现与拉伸方向大约成45角的肩形斜面。角的肩形斜面。剪剪切切屈屈服服时时材材料料内内部部的的微微结结构构，包包括括晶晶区区、分分子子束束、分分子子链链都都会会沿沿剪剪切切方方向向发发生生相相对对滑滑移移，消消耗耗大大量量变变形形能能。在在压压缩缩形形变变、弯弯曲曲形形变变屈屈服服时时，材材料料内内部部都都可可能能发发生生剪剪切屈服。剪切屈服时材料宏观体积不变。切屈服。剪切屈服时材料宏观体积不变。13 关于屈服变形的讨论 School o

16、f Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院2）拉伸屈服）拉伸屈服 （a）（b）图图6-12结晶聚合物的拉伸屈服结晶聚合物的拉伸屈服a,聚丙烯试样中球晶间出现微细纤维（聚丙烯试样中球晶间出现微细纤维（SEM照片）照片）b,聚氨聚氨酯试样中沿球晶边缘出现空洞（薄膜试样，酯试样中沿球晶边缘出现空洞（薄膜试样，TEM照片）照片）拉伸屈服指在外力作用下，材拉伸屈服指在外力作用下，材料内部垂直于外力作用方向出料内部垂直于外力作用方向出现微结构的撕裂、挣脱、位移，现微结构的撕裂、挣脱、位移，消耗变形能。伴随拉伸屈服，消耗变形能。伴随

17、拉伸屈服，材料内部或表面出现微细裂纹，材料内部或表面出现微细裂纹，称银纹（称银纹（craze）；也可能出）；也可能出现微小空洞（现微小空洞（cavity），使表），使表观体积变大。观体积变大。拉伸屈服也存在于弯曲形变中，试样弯曲时在表面伸展的一侧常常出现大量银纹。拉伸屈服也存在于弯曲形变中，试样弯曲时在表面伸展的一侧常常出现大量银纹。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院141非晶高分子材料的强迫高弹形变非晶高分子材料的强迫高弹形变图图7-4聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变曲线

18、随环境温度的变化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下）研究高聚物拉伸破坏行为时，特别要注研究高聚物拉伸破坏行为时，特别要注意在较低温度下的拉伸、屈服、断裂的情意在较低温度下的拉伸、屈服、断裂的情形。形。对于非晶聚合物，当环境温度处于对于非晶聚合物，当环境温度处于 时，虽然材料处于玻璃态，链时，虽然材料处于玻璃态，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分之几百的大变形，这种变形称强发生百分之几百的大变形，这种变形称强迫高弹形变。迫高弹形变。讨论讨论14强迫高弹形变与强迫高弹形变与“冷拉伸冷拉伸”School of Polymer Science&Eng

19、ineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院图图7-8结晶聚合物在不同温度下的应力结晶聚合物在不同温度下的应力-应应变曲线变曲线 结晶聚合物也能产生强迫高结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种形变称弹变形，这种形变称“冷拉伸冷拉伸”。结晶聚合物具有与非晶聚。结晶聚合物具有与非晶聚合物相似的拉伸应力应变曲合物相似的拉伸应力应变曲线，见图线，见图7-87-8。图中当环境温度低于熔点时（图中当环境温度低于熔点时（），虽然晶区尚未熔融，材料也），虽然晶区尚未熔融，材料也发生了很大拉伸变形。见图中曲线发生了很大拉伸变形。见图中曲线3、4、5。这种现象称这种现象称“冷拉伸冷拉

20、伸”。讨论讨论142晶态高分子材料的晶态高分子材料的“冷拉伸冷拉伸”School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院21 宏观破坏方式宏观破坏方式2 1 1 拉伸断裂拉伸断裂脆性断裂和韧性断裂表面脆性断裂和韧性断裂表面 图图7-11 PS7-11 PS试样脆性断裂表面的电镜照片试样脆性断裂表面的电镜照片图图7-12 7-12 增韧改性增韧改性PVCPVC韧性断裂表面韧性断裂表面的电镜照片的电镜照片 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与

21、工工 程程 学学 院院第第2节节 高分子材料的破坏和强度高分子材料的破坏和强度图6-21 冲击试样断裂表面的普通光学照片。左图：脆性试样；右图：韧性试样图6-22 左图韧性试样冲击断裂表面的电镜照片；右图脆性试样冲击断裂表面的电镜照片 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院2 1 2 冲击断裂冲击断裂2 1 3 疲劳和磨损破坏疲劳和磨损破坏材料的耐疲劳和耐磨损能力决定着材料的使用寿命。材料的耐疲劳和耐磨损能力决定着材料的使用寿命。疲劳（疲劳（fatigue）是指材料在长时间周期性应力（或应变）作用下

22、发生）是指材料在长时间周期性应力（或应变）作用下发生塑性形变、软化乃至损坏、断裂的现象。塑性形变、软化乃至损坏、断裂的现象。磨损（磨损（friction wear）是指材料在相互接触的摩擦运动中，表层发热、）是指材料在相互接触的摩擦运动中，表层发热、黏附、损伤、发生宏观材料剥落的现象。黏附、损伤、发生宏观材料剥落的现象。从材料学角度看，疲劳和磨损是材料在长期动态应力作用下，内部或表面产生力化从材料学角度看，疲劳和磨损是材料在长期动态应力作用下，内部或表面产生力化学反应，引发产生微细损伤，造成分子链断裂、交联、结晶粒子微细化等，形成微学反应，引发产生微细损伤，造成分子链断裂、交联、结晶粒子微细化

23、等，形成微细裂纹，而后裂纹再逐渐扩展生长，最终导致宏观破坏的过程。细裂纹，而后裂纹再逐渐扩展生长，最终导致宏观破坏的过程。疲劳和磨损过程均伴随显著的热效应。疲劳和磨损过程均伴随显著的热效应。疲劳和磨损的机理十分复杂，需要时请阅读有关专著。疲劳和磨损的机理十分复杂，需要时请阅读有关专著。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院22 关于断裂过程的讨论关于断裂过程的讨论221 材料的脆性断裂和韧性屈服材料的脆性断裂和韧性屈服图图7-13拉伸试样内斜拉伸试样内斜截面上的应力分布截面上的应力分布 设试样横截面

24、积为设试样横截面积为 A0，作用于其上的拉力为，作用于其上的拉力为F，可以求得，可以求得在试样内部任一斜截面在试样内部任一斜截面 上的法向应力上的法向应力 和切向应力和切向应力 :School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院 在不同角度的斜截面在不同角度的斜截面 上，法向应力上，法向应力 和切向应力和切向应力 值不值不同。由公式得知，在斜角同。由公式得知，在斜角=0的截面上（横截面），法向应力的值最的截面上（横截面），法向应力的值最大；在大；在=45的截面上，切向应力值最大。的截面上，切向应力值最大。图图

25、7-14法向应力与切向应力随斜截面的变化法向应力与切向应力随斜截面的变化 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院讨论讨论 本质上，法向应力本质上，法向应力 与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉伸能力极限与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉伸能力极限值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材料在值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材料在 作用下发生破坏作用下发生破坏时，往往伴随主链的断裂。时，往往伴随主链的断裂。切向应力切向应力 与材料的抗剪切能力相关，极限值主要取决于分子间内聚力。材与材料的抗剪切能力相关，

26、极限值主要取决于分子间内聚力。材料在料在 作用下发生屈服时，往往发生分子链的相对滑移（图作用下发生屈服时，往往发生分子链的相对滑移（图7-15）。）。图图7-15垂直应力下的分子链断裂（垂直应力下的分子链断裂（a）和剪切应力下的分子链滑移（）和剪切应力下的分子链滑移（b）在外力场作用下，材料在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力内部的应力分布与应力变化十分复杂，断裂和变化十分复杂，断裂和屈服都有可能发生，处屈服都有可能发生，处于相互竞争状态。于相互竞争状态。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院讨

27、论讨论图图6-26 薄板中椭圆型孔洞的应薄板中椭圆型孔洞的应力集中效应示意图力集中效应示意图设二维无限大薄板上有一个椭圆形孔洞设二维无限大薄板上有一个椭圆形孔洞（a，），薄板在椭圆短轴方向受到一），薄板在椭圆短轴方向受到一拉伸应力拉伸应力 ，则在孔洞长轴的尖端区，则在孔洞长轴的尖端区将因应力集中效应而承受高达几倍乃至几将因应力集中效应而承受高达几倍乃至几十倍的巨大应力十倍的巨大应力 （与（与 平行）。平行）。称应力集中系数。称应力集中系数。经验证明对多数材料而言，其临界抗拉伸强度（理论内聚强度）约为杨氏模量经验证明对多数材料而言，其临界抗拉伸强度（理论内聚强度）约为杨氏模量E的的1/15，因此

28、一个存在裂纹缺陷的材料的最高预期强度，因此一个存在裂纹缺陷的材料的最高预期强度为：为：School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院222 裂纹的应力集中效应裂纹的应力集中效应断裂过程断裂过程 微裂纹引发（成核）微裂纹引发（成核）裂纹扩展成裂缝裂纹扩展成裂缝裂缝生长引起断裂裂缝生长引起断裂从分子水平看，出现裂纹必然产生新表面，产生的原因有二：一是拉力造成主价键从分子水平看，出现裂纹必然产生新表面，产生的原因有二：一是拉力造成主价键破坏，使分子链断裂；二是剪切造成次价键破坏，分子链发生相对滑移。破坏，使分子链

29、断裂；二是剪切造成次价键破坏，分子链发生相对滑移。1 1，某分子链处于高应力状态；，某分子链处于高应力状态；2，链断裂，形成链端自由基；，链断裂，形成链端自由基；3，自由基反应，形成主链自由基；，自由基反应，形成主链自由基；4，带自由基的主链断裂，继续反应；，带自由基的主链断裂，继续反应；5，多次重复，形成一个亚微观裂纹，多次重复，形成一个亚微观裂纹链端自由基；链端自由基；主链自由基；主链自由基；稳定的端基稳定的端基图图7-16 7-16 ZhurkovZhurkov力化学力化学反应模型反应模型 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科

30、 学学 与与 工工 程程 学学 院院223 断裂的分子理论断裂的分子理论231理论强度和实际强度理论强度和实际强度对对碳碳链链聚聚合合物物，已已知知CC键键能能约约为为350kJmol-1，相相当当于于每每键键的的键键能能为为56x1019J。这这些些能能量量可可近近似似看看作作为为克克服服成成键键的的原原子子引引力力，将将两两个个C原原子子分分离离到到键键长长的的距距离离所所做做的功的功。CC键长键长，由此算出一个共价键力，由此算出一个共价键力为为（7-9）由由X射线衍射实验测材料的晶胞参数，可求得大分子链横截面积。如求得聚乙烯射线衍射实验测材料的晶胞参数，可求得大分子链横截面积。如求得聚乙

31、烯分子链横截面为分子链横截面为 ，由此得到高分子材料的理论强度为：，由此得到高分子材料的理论强度为：理论强度是人们从化学结构可能期望的材料极限强度，由于高分子材料的破理论强度是人们从化学结构可能期望的材料极限强度，由于高分子材料的破坏是由化学键断裂引起的，因此可从拉断化学键所需作的功计算其理论强度。坏是由化学键断裂引起的，因此可从拉断化学键所需作的功计算其理论强度。实际上高分子材料的强度比理论强度小得多，仅为几个到几十个实际上高分子材料的强度比理论强度小得多，仅为几个到几十个MPa。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与

32、工工 程程 学学 院院2高分子材料的强度高分子材料的强度1）分子量的影响）分子量的影响 分子量是对高分子材料力学性能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（包括强度、弹性、韧性）起决定性作用的结构参数。低分子有机化性作用的结构参数。低分子有机化合物一般没有力学强度，高分子材合物一般没有力学强度，高分子材料要获得强度，必须具有一定聚合料要获得强度，必须具有一定聚合度，使分子间作用力足够大才行。度，使分子间作用力足够大才行。图图6-29PS、HDPE和和LDPE的拉伸强度与的拉伸强度与分子量的关系分子量的关系超过最低聚合度后，随分子量增大材料超过最低聚合度后，随分子量增大材料强

33、度逐步增大。但当分子量相当大，致强度逐步增大。但当分子量相当大，致使分子间次价键作用的总和超过了主链使分子间次价键作用的总和超过了主链化学键能时，材料强度将主要取决于化化学键能时，材料强度将主要取决于化学键能的大小，这时强度不再依赖分子学键能的大小，这时强度不再依赖分子量而变化量而变化。另外，分子量分布对材料强度的影响不大。另外，分子量分布对材料强度的影响不大。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院232影响断裂强度的因素影响断裂强度的因素2）分子链结构的影响）分子链结构的影响 从主链结构看，含芳杂

34、环结构的材料强度和模量要高于脂肪族主链材料。从主链结构看，含芳杂环结构的材料强度和模量要高于脂肪族主链材料。芳香尼龙芳香尼龙 尼龙尼龙-6从分子间相互作用看，极性聚合物及容易产生分子间或分子内氢键的聚合物，从分子间相互作用看，极性聚合物及容易产生分子间或分子内氢键的聚合物，力学强度较高。力学强度较高。分子量相当时，支化聚合物力学强度比线形聚合物低。分子量相当时，支化聚合物力学强度比线形聚合物低。聚氯乙烯：聚氯乙烯：4050MPa聚乙烯：聚乙烯：1530MPa如支化的如支化的LDPE的拉伸强度低于线形的的拉伸强度低于线形的HDPE School of Polymer Science&Engine

35、ering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院3）结晶及取向的影响）结晶及取向的影响表表7-2聚乙烯的断裂性能与结晶度的关系聚乙烯的断裂性能与结晶度的关系结晶度结晶度/65758595断裂强度断裂强度/14.4182540断裂伸长率断裂伸长率/50030010020 一般影响规律是：一般影响规律是：1 1、随着结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹性模量均提、随着结晶度上升，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。这是由于结晶使分子链排列紧密有序，孔高，但断裂伸长率和韧性下降。这是由于结晶使分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用

36、增强所致。隙率低，分子间作用增强所致。2 2、晶粒尺寸和晶体结构对材料强度的影响更大。均匀小球晶能使材料的强、晶粒尺寸和晶体结构对材料强度的影响更大。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。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。3 3、晶体形态对聚合物拉伸强度的影响规律是，同一聚合物，伸直链晶体的拉、晶体形态对聚合物拉伸强度的影响规律是，同一聚合物，伸直链晶体的拉伸强度最大，串晶次之，球晶最小。伸强度最大，串晶次之，球晶最小。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科

37、 学学 与与 工工 程程 学学 院院4）交联的影响）交联的影响 随随交交联联程程度度提提高高，橡橡胶胶材材料料的的拉拉伸伸模模量量和和强强度度都都大大大大提提高高，达达到到极极值值强强度度后后，又又趋趋于于下下降降；断断裂伸长率则连续下降。裂伸长率则连续下降。热热固固性性树树脂脂，由由于于分分子子量量很很低低，如如果果不不进进行行交交联联，几几乎乎没没有有强强度度（液液态态）。固固化化以以后后，分分子子间间形形成成密密集集的的化化学学交交联联，使使断断裂裂强强度度大幅度提高。大幅度提高。图图6-20橡胶的拉伸强度与交联剂用量的橡胶的拉伸强度与交联剂用量的关系关系适度交联对于弹性体及热固性树脂力

38、学性能的提高至关重要。对于大多数适度交联对于弹性体及热固性树脂力学性能的提高至关重要。对于大多数弹性体而言，交联是加工成型工艺中的关键步骤。通过交联使分子链联结弹性体而言，交联是加工成型工艺中的关键步骤。通过交联使分子链联结成网，既增大分子量，又增强分子链间相互作用，使材料拉伸性能、弹性、成网，既增大分子量，又增强分子链间相互作用，使材料拉伸性能、弹性、抗蠕变能力大大提高。抗蠕变能力大大提高。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院5）温度与形变速率的影响温度与形变速率的影响图图7-5断裂强度断裂强度

39、和屈服强度随温度的变化趋势和屈服强度随温度的变化趋势 虚线虚线高拉伸速率高拉伸速率实线实线低拉伸速率低拉伸速率 图图7-6断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势实线低环境温度 虚线高环境温度对屈服强度的影响更大一些。对屈服强度的影响更大一些。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院241粉料填充增强粉料填充增强粉状填料的增强效果主要取决于填料的种类、尺寸、用量、表面性质以及粉状填料的增强效果主要取决于填料的种类、尺寸、用量、表面性质以及填料在高分子基材中的分散状况

40、。按性能分粉状填料可分为活性填料和惰填料在高分子基材中的分散状况。按性能分粉状填料可分为活性填料和惰性填料两类；按尺寸分有微米级填料、纳米级填料等。性填料两类；按尺寸分有微米级填料、纳米级填料等。炭炭黑黑增增强强橡橡胶胶是是最最突突出出的的粉粉状状填填料料增增强强聚聚合合物物材材料料的的例例子子。炭炭黑黑是是典典型型活性填料，尺寸在亚微米级，增强效果十分显著。活性填料，尺寸在亚微米级，增强效果十分显著。橡胶橡胶拉伸强度拉伸强度/MPa增强倍数增强倍数纯胶纯胶含炭黑橡胶含炭黑橡胶非结晶型非结晶型硅橡胶硅橡胶0.3413.740丁苯橡胶丁苯橡胶1.9619.010丁腈橡胶丁腈橡胶1.9619.61

41、0结晶型结晶型天然橡胶天然橡胶19.031.41.6氯丁橡胶氯丁橡胶14.725.01.7丁基橡胶丁基橡胶17.618.61.1炭黑炭黑表表7-4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白炭黑补强白炭黑补强 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院24高分子材料的增强改性高分子材料的增强改性碳酸钙、滑石粉、陶土以及各种金属或金属氧化物粉末属于惰性填料。对碳酸钙、滑石粉、陶土以及各种金属或金属氧化物粉末属于惰性填料。对于惰性填料，需要经过化学改性赋予粒子表面一定的活性，才具有增强作于

42、惰性填料，需要经过化学改性赋予粒子表面一定的活性，才具有增强作用。例如用表面活性物质如脂肪酸、树脂酸处理，或用钛酸酯、硅烷等偶用。例如用表面活性物质如脂肪酸、树脂酸处理，或用钛酸酯、硅烷等偶联剂处理，或在填料粒子表面化学接枝大分子等都有很好的效果。联剂处理，或在填料粒子表面化学接枝大分子等都有很好的效果。图图7-22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%School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院惰性填料惰性填料纤

43、维增强塑料是利用纤维的高强度、高模量、尺寸稳定性和树脂的低密纤维增强塑料是利用纤维的高强度、高模量、尺寸稳定性和树脂的低密度、强韧性设计制备的一种复合材料。两者取长补短，复合的同时既克服度、强韧性设计制备的一种复合材料。两者取长补短，复合的同时既克服了纤维的脆性，也提高了树脂基体的强度、刚性、耐蠕变和耐热性。了纤维的脆性，也提高了树脂基体的强度、刚性、耐蠕变和耐热性。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 School of Polymer Science&Engineer

44、ing 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院242纤维复合增强纤维复合增强 基于上述机理也可得知，在基体中，即使纤维都已断裂，或者直接在基基于上述机理也可得知，在基体中，即使纤维都已断裂，或者直接在基体中加入经过表面处理的短纤维，只要纤维具有一定的长径比，使复合作体中加入经过表面处理的短纤维，只要纤维具有一定的长径比，使复合作用有效，仍可以达到增强效果。实际上短纤维增强塑料、橡胶的技术都有用有效，仍可以达到增强效果。实际上短纤维增强塑料、橡胶的技术都有很好的发展，部分已应用于生产实践。很好的发展，部分已应用于生产实践。按复合作用原理，短纤维的临界长度按复合作用原理，短纤维

45、的临界长度L Lc c可按下式计算：可按下式计算：式中为式中为 纤维的拉伸屈服应力，纤维的拉伸屈服应力，为基体的剪切屈服应力，为基体的剪切屈服应力，d 为为纤维直径。纤维直径。243 纳米复合材料和分子复合材料纳米复合材料和分子复合材料 略略 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院短纤维增强短纤维增强第第4节节高分子材料的抗冲击性能和增韧改性高分子材料的抗冲击性能和增韧改性41抗冲击强度抗冲击强度抗冲击强度抗冲击强度的测定方法的测定方法高速拉伸试验高速拉伸试验落锤式冲击试验落锤式冲击试验摆锤式冲击试

46、验摆锤式冲击试验悬臂梁式（悬臂梁式（Izod）简支梁式（简支梁式（Charpy）411 抗冲击强度定义及物理意义抗冲击强度定义及物理意义 抗冲击强度（抗冲击强度（impact strength）定义为标准试样在高速冲击作用下发生断裂时，）定义为标准试样在高速冲击作用下发生断裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院冲击破坏过程虽然很快，冲击破坏过程虽然很快，但根据破坏原理也可分为三但根据破坏原理也可分为三个阶段

47、：一是裂纹引发阶段，个阶段：一是裂纹引发阶段，二是裂纹扩展阶段，三是断二是裂纹扩展阶段，三是断裂阶段。裂阶段。图图7-30冲击冲击实验中材料受力及屈挠关系曲线实验中材料受力及屈挠关系曲线 曲线下面积：白亮区域裂纹引发能 阴影区域裂纹扩展能 412 冲击破坏过程分析冲击破坏过程分析 从微观来看，裂纹引发时一定有从微观来看，裂纹引发时一定有主链发生断裂，因此主链发生断裂，因此主链化学键主链化学键键能的大小键能的大小决定着裂纹引发能的决定着裂纹引发能的大小。裂纹扩展能的大小则与裂大小。裂纹扩展能的大小则与裂纹尖端区的形变性质有关。纹尖端区的形变性质有关。School of Polymer Scien

48、ce&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院4 42 2 影响抗冲击性能的因素影响抗冲击性能的因素 421 分子链结构的影响分子链结构的影响 除分子链化学键强度外，分子链柔顺性对抗冲击性能也有较大影响。除分子链化学键强度外，分子链柔顺性对抗冲击性能也有较大影响。一般来说分子链柔性大的材料抗冲击性能较好，而刚性链聚合物较差。一般来说分子链柔性大的材料抗冲击性能较好，而刚性链聚合物较差。在特定场合，尺寸小于链段的次级结构运动状态的变化也对抗冲击韧在特定场合，尺寸小于链段的次级结构运动状态的变化也对抗冲击韧性有影响。性有影响。次级转变和低温抗冲性次级转变和

49、低温抗冲性分子量的影响。分子量的影响。分子量小时，随分子量增大，抗冲击强度提高；分子量足够高时，抗冲击强度分子量小时，随分子量增大，抗冲击强度提高；分子量足够高时，抗冲击强度基本与分子量无关。基本与分子量无关。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院422结晶、取向的影响结晶、取向的影响对对聚聚乙乙烯烯、聚聚丙丙烯烯等等高高结结晶晶度度材材料料，当当结结晶晶度度为为40-60%时时，由由于于材材料料拉拉伸伸时时有有屈屈服服发发生生且且断断裂裂伸伸长长率率高高，韧韧性性很很好好。结结晶晶度度再再增增高高

50、，材材料料变变硬硬变变脆脆，抗抗冲冲击击韧韧性性反反而而下下降降。这这是是由由于于结结晶晶使使分分子子间间相相互互作作用用增增强强，链链段段运运动动能能力力减减弱弱，受受到到外外来来冲冲击击时时，材材料料形形变变能能力力减减少少，因而抗冲击韧性变差。因而抗冲击韧性变差。从结晶形态看，具有均匀小球晶的材料抗冲击韧性好，而大球晶韧从结晶形态看，具有均匀小球晶的材料抗冲击韧性好，而大球晶韧性差。球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材料受冲击性差。球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材料受冲击力时易在薄弱环节破裂。力时易在薄弱环节破裂。对取向材料，当冲击力与取向方向平行，冲击强度因取向