高分子材料的力學(xué)性能

1、1 1、高分子材料強(qiáng)度的微觀理論、高分子材料強(qiáng)度的微觀理論 2 2、高聚物的理論強(qiáng)度、高聚物的理論強(qiáng)度 3 3、高聚物的主要力學(xué)強(qiáng)度、高聚物的主要力學(xué)強(qiáng)度 4 4、影響高聚物強(qiáng)度的因素、影響高聚物強(qiáng)度的因素 高聚物的斷裂最終是主價(jià)鍵的斷裂材料的強(qiáng)度大小取決于主價(jià)鍵和次價(jià)鍵的強(qiáng)度。材料的強(qiáng)度大小取決于主價(jià)鍵和次價(jià)鍵的強(qiáng)度。 1 1、高分子材料強(qiáng)度的微觀理論、高分子材料強(qiáng)度的微觀理論 . .理論強(qiáng)度的原子分子論述理論強(qiáng)度的原子分子論述 主價(jià)鍵（化學(xué)鍵），鍵能較高，約主價(jià)鍵（化學(xué)鍵），鍵能較高，約100 KCa100 KCamolmol-1-1。次價(jià)鍵（范德華力），約次價(jià)鍵（范德華力），約10 KC

2、a10 KCamolmol-1-1以上。以上。 材料的本征破裂能材料的本征破裂能ththdxxG2002sinxxhth22sint只有次價(jià)鍵的斷裂，則只有次價(jià)鍵的斷裂，則20G各向同性高聚物，各向同性高聚物，b約為約為E/50E/100 大多數(shù)固體材料的理論大多數(shù)固體材料的理論E E間的關(guān)系：間的關(guān)系： 10Eth理論強(qiáng)度理論強(qiáng)度 2/102pthhEGphExE等于微觀應(yīng)變等于微觀應(yīng)變00lll 假設(shè)試樣形變時(shí)宏觀應(yīng)變假設(shè)試樣形變時(shí)宏觀應(yīng)變材料材料E(MPa)th（MPa）b(MPa)典型玻璃態(tài)高聚物典型玻璃態(tài)高聚物PMMA典型結(jié)晶高聚物如典型結(jié)晶高聚物如HDPE熱固性高聚物如環(huán)氧樹脂熱固

3、性高聚物如環(huán)氧樹脂取向高聚物纖維如尼龍取向高聚物纖維如尼龍6聚雙乙炔單晶纖維聚雙乙炔單晶纖維 300020003500600060,00030020035060060005020705002000表表 4-1 實(shí)際拉伸強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的比較實(shí)際拉伸強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的比較主價(jià)鍵從完整態(tài)主價(jià)鍵從完整態(tài)A A轉(zhuǎn)變到斷裂狀態(tài)轉(zhuǎn)變到斷裂狀態(tài)B B是一個(gè)活化過程，是一個(gè)活化過程，可用化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法處理，建立強(qiáng)度的動(dòng)力學(xué)理論?？捎没瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)方法處理，建立強(qiáng)度的動(dòng)力學(xué)理論。 .動(dòng)力學(xué)理論（動(dòng)力學(xué)理論（Zhurkov理論）理論） 2 2、高聚物的理論強(qiáng)度、高聚物的理論強(qiáng)度 高分子抵抗斷裂的能力稱為高分子的強(qiáng)度。高分

4、子抵抗斷裂的能力稱為高分子的強(qiáng)度。 高分子材料的破壞可能是高分子主鏈的化學(xué)鍵高分子材料的破壞可能是高分子主鏈的化學(xué)鍵斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。力的破壞。從分子水平上看，高分子的斷裂要破壞分子從分子水平上看，高分子的斷裂要破壞分子內(nèi)的化學(xué)鍵和分子間的范德華力與氫鍵。內(nèi)的化學(xué)鍵和分子間的范德華力與氫鍵。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞可歸結(jié)為以下三種情況：內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞可歸結(jié)為以下三種情況：化學(xué)鍵破壞化學(xué)鍵破壞分子間滑脫分子間滑脫范德華力或范德華力或氫鍵破壞氫鍵破壞理論強(qiáng)度的計(jì)算理論強(qiáng)度的計(jì)算1.化學(xué)鍵化學(xué)鍵舉例：舉例：共價(jià)鍵的鍵能為共價(jià)鍵的鍵能為

5、335378KJ/mol（56 10-19J/鍵鍵）鍵長(zhǎng)鍵長(zhǎng)1.5埃，兩個(gè)原子的相互吸引力埃，兩個(gè)原子的相互吸引力fw/d34 10-9N/鍵，對(duì)聚乙烯分子截面為鍵，對(duì)聚乙烯分子截面為20 1020m2則可以計(jì)算最大理論則可以計(jì)算最大理論強(qiáng)度：強(qiáng)度：2 1010N/m2，而實(shí)際的抗張強(qiáng)度僅為，而實(shí)際的抗張強(qiáng)度僅為108N/m2。原因：實(shí)際的聚合物達(dá)不到那種完全規(guī)整的水平，存在應(yīng)原因：實(shí)際的聚合物達(dá)不到那種完全規(guī)整的水平，存在應(yīng)力集中（雜質(zhì)，小裂紋，空隙，缺口）的缺點(diǎn)。力集中（雜質(zhì)，小裂紋，空隙，缺口）的缺點(diǎn)。2.分子間滑脫：分子間滑脫：斷裂需要破壞分子鏈尺寸范圍內(nèi)的分子間作用力。斷裂需要破壞分

6、子鏈尺寸范圍內(nèi)的分子間作用力。氫鍵：氫鍵：20KJ/mol，假設(shè)，假設(shè)0.5nm有一個(gè)氫鍵，分子間的滑有一個(gè)氫鍵，分子間的滑脫尺寸為脫尺寸為100nm總能量可以達(dá)到總能量可以達(dá)到4000KJ/mol，即使沒有，即使沒有氫鍵，氫鍵，05.nm的鏈段的內(nèi)聚能假設(shè)為的鏈段的內(nèi)聚能假設(shè)為5KJ/mol，100nm長(zhǎng)長(zhǎng)的分子鏈的內(nèi)聚能的分子鏈的內(nèi)聚能1000KJ/mol，比化學(xué)鍵來的高，所以，比化學(xué)鍵來的高，所以發(fā)生這種斷裂是不可能的。發(fā)生這種斷裂是不可能的。3. 斷裂需要克服的是斷面部分的分子間力，斷裂需要克服的是斷面部分的分子間力，氫鍵：氫鍵：20KJ/mol，作用范圍，作用范圍0.3nm，破壞一個(gè)

7、氫鍵需要，破壞一個(gè)氫鍵需要1 10-10N，范德華力，范德華力8KJ/mol，作用范圍，作用范圍0.4nm，破壞一對(duì)，破壞一對(duì)范德華力需要范德華力需要3 10-10N，假設(shè)每，假設(shè)每0.25nm2有一個(gè)氫鍵或范有一個(gè)氫鍵或范德華鍵，拉伸強(qiáng)度為德華鍵，拉伸強(qiáng)度為4 108Pa，1.2 108Pa。在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)度在幾千度在幾千MPa，而實(shí)際只有幾十，而實(shí)際只有幾十MPa 。PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryeriment)100011001(exp理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差原因差原因樣條

8、存在缺陷樣條存在缺陷應(yīng)力集中應(yīng)力集中可能導(dǎo)致聚合物強(qiáng)度下降的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)示意圖可能導(dǎo)致聚合物強(qiáng)度下降的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)示意圖層間區(qū)層間區(qū)（無定型區(qū)）（無定型區(qū)）微區(qū)微區(qū)邊界邊界結(jié)晶區(qū)域結(jié)晶區(qū)域 填料粒子填料粒子（相容性差）（相容性差） 微空洞微空洞 分離的異物分離的異物 片晶內(nèi)缺陷片晶內(nèi)缺陷交聯(lián)點(diǎn)交聯(lián)點(diǎn) 次價(jià)鍵次價(jià)鍵 鏈末端鏈末端 鏈纏結(jié)鏈纏結(jié) 3、高聚物的主要力學(xué)強(qiáng)度、高聚物的主要力學(xué)強(qiáng)度 高聚物的高聚物的力學(xué)強(qiáng)度力學(xué)強(qiáng)度張應(yīng)力張應(yīng)力拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度彎曲力矩彎曲力矩抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度壓應(yīng)力壓應(yīng)力抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度拉伸模量拉伸模量彎曲模量彎曲模量循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 沖擊沖擊 沖擊強(qiáng)度沖

9、擊強(qiáng)度 4、影響高聚物強(qiáng)度的因素、影響高聚物強(qiáng)度的因素 u凡是有利于提高材料的彈性模量、有利于增加斷凡是有利于提高材料的彈性模量、有利于增加斷裂過程的表面功和增加分子穩(wěn)定性的因素，都使材裂過程的表面功和增加分子穩(wěn)定性的因素，都使材料的強(qiáng)度提高；料的強(qiáng)度提高；u凡是使材料形成弱點(diǎn)而增加應(yīng)力凡是使材料形成弱點(diǎn)而增加應(yīng)力分布的不均勻性的因素，都使材料分布的不均勻性的因素，都使材料的強(qiáng)度下降。的強(qiáng)度下降。1 化學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)結(jié)構(gòu) u主鏈含有芳雜環(huán)的高聚物，其強(qiáng)度和模量都比脂主鏈含有芳雜環(huán)的高聚物，其強(qiáng)度和模量都比脂肪族主鏈高肪族主鏈高 u材料的強(qiáng)度取決于主價(jià)鍵和次價(jià)鍵，因此高分子材料的強(qiáng)度取決于主價(jià)鍵和次

10、價(jià)鍵，因此高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)是影響其強(qiáng)度的根本因素。材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)是影響其強(qiáng)度的根本因素。 u增加取代基的極性或產(chǎn)生氫鍵可使強(qiáng)度提高，極增加取代基的極性或產(chǎn)生氫鍵可使強(qiáng)度提高，極性基團(tuán)或氫鍵的密度愈大，強(qiáng)度愈高。性基團(tuán)或氫鍵的密度愈大，強(qiáng)度愈高。 2 分子量分子量 超過最小聚合度，隨分子量超過最小聚合度，隨分子量增大，材料強(qiáng)度逐步增大。但增大，材料強(qiáng)度逐步增大。但當(dāng)分子量相當(dāng)大，材料強(qiáng)度主當(dāng)分子量相當(dāng)大，材料強(qiáng)度主要取決于化學(xué)鍵能的大小，不要取決于化學(xué)鍵能的大小，不再依賴分子量而變化。再依賴分子量而變化。分子量是對(duì)高分子材料力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈性、韌分子量是對(duì)高分子材料力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、

11、彈性、韌性）起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。性）起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。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3 3 結(jié)晶結(jié)晶主要影響因素有結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)主要影響因素有結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)結(jié)晶度上升，材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、硬度、結(jié)晶度上升，材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、硬度、彈性模量均提高，但斷裂伸長(zhǎng)率和韌性下降彈性模量均提高，但斷裂伸長(zhǎng)率和韌性下降均勻小球晶能使材料的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、模量和韌均勻小球晶能使材料的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長(zhǎng)和韌性下降性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長(zhǎng)和韌性下降伸直鏈晶體的拉伸強(qiáng)度最大，串晶次之，球晶伸直

12、鏈晶體的拉伸強(qiáng)度最大，串晶次之，球晶最小最小4 4 交聯(lián)交聯(lián)交聯(lián)可以提高材料抗蠕變能力，提高斷裂強(qiáng)度。交聯(lián)可以提高材料抗蠕變能力，提高斷裂強(qiáng)度。適度交聯(lián)強(qiáng)度增加；適度交聯(lián)強(qiáng)度增加；過度交聯(lián)將使材料變脆弱過度交聯(lián)將使材料變脆弱橡膠的拉伸強(qiáng)度與交聯(lián)劑用量的關(guān)系橡膠的拉伸強(qiáng)度與交聯(lián)劑用量的關(guān)系5 5 取向取向取向使力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，在取向方向得到增強(qiáng)取向使力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，在取向方向得到增強(qiáng) 對(duì)于脆性材料，平行于取向方向的強(qiáng)度、模量和伸長(zhǎng)對(duì)于脆性材料，平行于取向方向的強(qiáng)度、模量和伸長(zhǎng)率提高，垂直于取向方向的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率降低。率提高，垂直于取向方向的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率降低。 對(duì)于塑性、易結(jié)晶材料，在

13、平行于取向方向的強(qiáng)度、對(duì)于塑性、易結(jié)晶材料，在平行于取向方向的強(qiáng)度、模量提高，在垂直于取向方向的強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率增大。模量提高，在垂直于取向方向的強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率增大。6 6 溫度與形變速率的影響溫度與形變速率的影響溫度升高，材料屈服強(qiáng)度明顯降低，對(duì)斷裂強(qiáng)度溫度升高，材料屈服強(qiáng)度明顯降低，對(duì)斷裂強(qiáng)度影響較小影響較小. .拉伸速率提高屈服強(qiáng)度上升拉伸速率提高屈服強(qiáng)度上升. . yTb2 TTb1 b7 應(yīng)力集中物應(yīng)力集中物 缺陷的存在將使材料受力時(shí)內(nèi)部壓力分布不平均，缺缺陷的存在將使材料受力時(shí)內(nèi)部壓力分布不平均，缺陷附近范圍內(nèi)的應(yīng)力急劇地增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過壓力平均值，陷附近范圍內(nèi)的應(yīng)力急劇地增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過壓力平均值，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，缺陷就是應(yīng)力集中物這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，缺陷就是應(yīng)力集中物 纖維直徑減小有利于減小纖維表里的差別，降低缺陷纖維直徑減小有利于減小纖維表里的差別，降低缺陷出現(xiàn)的概率。出現(xiàn)的概率。 銳口的小裂縫甚至比鈍口的較大缺陷造成更大的應(yīng)力銳口的小裂縫甚至比鈍口的較大缺陷造成更大的應(yīng)力集中集中 8 8 填料和增塑劑填料和增塑劑 惰性填料