高分子材料的力學性能

1、1 1、高分子材料強度的微觀理論、高分子材料強度的微觀理論 2 2、高聚物的理論強度、高聚物的理論強度 3 3、高聚物的主要力學強度、高聚物的主要力學強度 4 4、影響高聚物強度的因素、影響高聚物強度的因素 高聚物的斷裂最終是主價鍵的斷裂材料的強度大小取決于主價鍵和次價鍵的強度。材料的強度大小取決于主價鍵和次價鍵的強度。 1 1、高分子材料強度的微觀理論、高分子材料強度的微觀理論 . .理論強度的原子分子論述理論強度的原子分子論述 主價鍵（化學鍵），鍵能較高，約主價鍵（化學鍵），鍵能較高，約100 KCa100 KCamolmol-1-1。次價鍵（范德華力），約次價鍵（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只有次價鍵的斷裂，則只有次價鍵的斷裂，則20G各向同性高聚物，各向同性高聚物，b約為約為E/50E/100 大多數固體材料的理論大多數固體材料的理論E E間的關系：間的關系： 10Eth理論強度理論強度 2/102pthhEGphExE等于微觀應變等于微觀應變00lll 假設試樣形變時宏觀應變假設試樣形變時宏觀應變材料材料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典型結晶高聚物如典型結晶高聚物如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 實際拉伸強度與理論強度的比較實際拉伸強度與理論強度的比較主價鍵從完整態(tài)主價鍵從完整態(tài)A A轉變到斷裂狀態(tài)轉變到斷裂狀態(tài)B B是一個活化過程，是一個活化過程，可用化學動力學方法處理，建立強度的動力學理論。可用化學動力學方法處理，建立強度的動力學理論。 .動力學理論（動力學理論（Zhurkov理論）理論） 2 2、高聚物的理論強度、高聚物的理論強度 高分子抵抗斷裂的能力稱為高分子的強度。高分

4、子抵抗斷裂的能力稱為高分子的強度。 高分子材料的破壞可能是高分子主鏈的化學鍵高分子材料的破壞可能是高分子主鏈的化學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的化學鍵和分子間的范德華力與氫鍵。內的化學鍵和分子間的范德華力與氫鍵。內部結構的破壞可歸結為以下三種情況：內部結構的破壞可歸結為以下三種情況：化學鍵破壞化學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度的計算理論強度的計算1.化學鍵化學鍵舉例：舉例：共價鍵的鍵能為共價鍵的鍵能為

5、335378KJ/mol（56 10-19J/鍵鍵）鍵長鍵長1.5埃，兩個原子的相互吸引力埃，兩個原子的相互吸引力fw/d34 10-9N/鍵，對聚乙烯分子截面為鍵，對聚乙烯分子截面為20 1020m2則可以計算最大理論則可以計算最大理論強度：強度：2 1010N/m2，而實際的抗張強度僅為，而實際的抗張強度僅為108N/m2。原因：實際的聚合物達不到那種完全規(guī)整的水平，存在應原因：實際的聚合物達不到那種完全規(guī)整的水平，存在應力集中（雜質，小裂紋，空隙，缺口）的缺點。力集中（雜質，小裂紋，空隙，缺口）的缺點。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的分子間作用力。斷裂需要破壞分

6、子鏈尺寸范圍內的分子間作用力。氫鍵：氫鍵：20KJ/mol，假設，假設0.5nm有一個氫鍵，分子間的滑有一個氫鍵，分子間的滑脫尺寸為脫尺寸為100nm總能量可以達到總能量可以達到4000KJ/mol，即使沒有，即使沒有氫鍵，氫鍵，05.nm的鏈段的內聚能假設為的鏈段的內聚能假設為5KJ/mol，100nm長長的分子鏈的內聚能的分子鏈的內聚能1000KJ/mol，比化學鍵來的高，所以，比化學鍵來的高，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

7、氫鍵需要，破壞一個氫鍵需要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，破壞一對范德華力需要范德華力需要3 10-10N，假設每，假設每0.25nm2有一個氫鍵或范有一個氫鍵或范德華鍵，拉伸強度為德華鍵，拉伸強度為4 108Pa，1.2 108Pa。在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強度在幾千度在幾千MPa，而實際只有幾十，而實際只有幾十MPa 。PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryeriment)100011001(exp理論值與實驗結果相理論值與實驗結果相差原因差原因樣條

8、存在缺陷樣條存在缺陷應力集中應力集中可能導致聚合物強度下降的微觀結構細節(jié)示意圖可能導致聚合物強度下降的微觀結構細節(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)邊界邊界結晶區(qū)域結晶區(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 片晶內缺陷片晶內缺陷交聯點交聯點 次價鍵次價鍵 鏈末端鏈末端 鏈纏結鏈纏結 3、高聚物的主要力學強度、高聚物的主要力學強度 高聚物的高聚物的力學強度力學強度張應力張應力拉伸強度拉伸強度彎曲力矩彎曲力矩抗彎強度抗彎強度壓應力壓應力抗壓強度抗壓強度拉伸模量拉伸模量彎曲模量彎曲模量循環(huán)應力循環(huán)應力 疲勞強度疲勞強度 沖擊沖擊 沖擊強度沖

9、擊強度 4、影響高聚物強度的因素、影響高聚物強度的因素 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，都使材料的強度提高；料的強度提高；u凡是使材料形成弱點而增加應力凡是使材料形成弱點而增加應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，都使材料的強度下降。的強度下降。1 化學結構化學結構 u主鏈含有芳雜環(huán)的高聚物，其強度和模量都比脂主鏈含有芳雜環(huán)的高聚物，其強度和模量都比脂肪族主鏈高肪族主鏈高 u材料的強度取決于主價鍵和次價鍵，因此高分子材料的強度取決于主價鍵和次

10、價鍵，因此高分子材料的化學結構是影響其強度的根本因素。材料的化學結構是影響其強度的根本因素。 u增加取代基的極性或產生氫鍵可使強度提高，極增加取代基的極性或產生氫鍵可使強度提高，極性基團或氫鍵的密度愈大，強度愈高。性基團或氫鍵的密度愈大，強度愈高。 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，材料強度逐步增大。但增大，材料強度逐步增大。但當分子量相當大，材料強度主當分子量相當大，材料強度主要取決于化學鍵能的大小，不要取決于化學鍵能的大小，不再依賴分子量而變化。再依賴分子量而變化。分子量是對高分子材料力學性能（包括強度、彈性、韌分子量是對高分子材料力學性能（包括強度、

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

12、鏈晶體的拉伸強度最大，串晶次之，球晶最小最小4 4 交聯交聯交聯可以提高材料抗蠕變能力，提高斷裂強度。交聯可以提高材料抗蠕變能力，提高斷裂強度。適度交聯強度增加；適度交聯強度增加；過度交聯將使材料變脆弱過度交聯將使材料變脆弱橡膠的拉伸強度與交聯劑用量的關系橡膠的拉伸強度與交聯劑用量的關系5 5 取向取向取向使力學性能產生各向異性，在取向方向得到增強取向使力學性能產生各向異性，在取向方向得到增強 對于脆性材料，平行于取向方向的強度、模量和伸長對于脆性材料，平行于取向方向的強度、模量和伸長率提高，垂直于取向方向的強度和伸長率降低。率提高，垂直于取向方向的強度和伸長率降低。 對于塑性、易結晶材料，在

13、平行于取向方向的強度、對于塑性、易結晶材料，在平行于取向方向的強度、模量提高，在垂直于取向方向的強度下降，伸長率增大。模量提高，在垂直于取向方向的強度下降，伸長率增大。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，材料屈服強度明顯降低，對斷裂強度溫度升高，材料屈服強度明顯降低，對斷裂強度影響較小影響較小. .拉伸速率提高屈服強度上升拉伸速率提高屈服強度上升. . yTb2 TTb1 b7 應力集中物應力集中物 缺陷的存在將使材料受力時內部壓力分布不平均，缺缺陷的存在將使材料受力時內部壓力分布不平均，缺陷附近范圍內的應力急劇地增加，遠遠超過壓力平均值，陷附近范圍內的應力急劇地增加，遠遠超過壓力平均值，這種現象稱為應力集中，缺陷就是應力集中物這種現象稱為應力集中，缺陷就是應力集中物 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，降低缺陷出現的概率。出現的概率。 銳口的小裂縫甚至比鈍口的較大缺陷造成更大的應力銳口的小裂縫甚至比鈍口的較大缺陷造成更大的應力集中集中 8 8 填料和增塑劑填料和增塑劑 惰性填料