第十章高聚物的力學(xué)性質(zhì)

第十章高聚物的力學(xué)性質(zhì)玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)高聚物的力學(xué)性質(zhì)高彈態(tài)高聚物的力學(xué)性質(zhì)高聚物的力學(xué)松弛——粘彈性1

玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)高聚物的力學(xué)性質(zhì)基本物理量

1）應(yīng)力當(dāng)材料受到外力作用平衡時(shí)，附加內(nèi)力和外力相等，單位面積上的附加內(nèi)力（外力）稱為應(yīng)力。

2）應(yīng)變當(dāng)材料受到外力作用而所處的條件卻使其不能產(chǎn)生慣性位移，材料的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種變化就稱為應(yīng)變。牛頓/米2

、Pa、達(dá)因/厘米2等3）彈性模量對(duì)于理想的彈性固體，應(yīng)力和應(yīng)變服從虎克定律，即應(yīng)力和應(yīng)變成正比，比例常數(shù)稱為彈性模量。材料抵抗變形能力的大小、模量越大，越不易變形，表示材料的剛度越大。2三種基本的應(yīng)變類型1）簡(jiǎn)單拉伸——相對(duì)應(yīng)的模量為楊氏模量E

材料受到的外力是垂直于截面積的，大小相等，方向相反，作用在一條直線上的力。拉伸應(yīng)變：習(xí)用應(yīng)力：真應(yīng)力：真應(yīng)變：32）簡(jiǎn)單剪切——相對(duì)應(yīng)的模量為剪切模量G材料受到的力與截面平行，但不在同一直線上，大小相等、方向相反。43）均勻壓縮——相對(duì)應(yīng)的模量為體積模量B材料受到周圍壓力P的作用，發(fā)生體積變形。對(duì)于各向同性材料：為泊松比（定義：在拉伸實(shí)驗(yàn)中，材料橫向單位寬度的減小與縱向單位長(zhǎng)度的增加之比值。5理想不可壓縮體變形時(shí)，體積不變。大多數(shù)材料在變形時(shí)，有體積變化，拉伸時(shí)發(fā)生膨脹。泊松比0.2-0.5橡膠和小分子液體的泊松比接近0.5。理論上泊松比的范圍為0-0.5，B的變化范圍E/3—G的變化范圍E/2—E/3對(duì)于各向異性的材料，情況復(fù)雜，在此不討論。6常用的力學(xué)性能指標(biāo)拉伸強(qiáng)度在規(guī)定試驗(yàn)溫度、濕度和試驗(yàn)速度下，在標(biāo)準(zhǔn)樣上沿軸向施加拉伸載荷，直至拉斷為止，斷裂前試樣所承受的最大載荷P與試樣的寬度b和厚度d的乘積的比值。硬度衡量材料表面抵抗機(jī)械壓力的能力的一種指標(biāo)。沖擊強(qiáng)度——衡量材料韌性的一種強(qiáng)度指標(biāo)，表征材料抵抗沖擊載荷破壞的能力。定義為試樣受沖擊載荷而折斷時(shí)單位截面積所吸收的能量。7幾類高聚物的拉伸行為玻璃態(tài)高聚物的拉伸屈服應(yīng)力、斷裂應(yīng)力、斷裂伸長(zhǎng)率脆性斷裂（材料屈服之前發(fā)生的斷裂）、韌性斷裂（材料屈服之后發(fā)生的斷裂）8玻璃態(tài)高聚物的強(qiáng)迫高彈形變結(jié)晶高聚物的拉伸強(qiáng)迫高彈形變第一階段：應(yīng)力隨應(yīng)變線性增加，試樣被均勻地拉長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率為百分之幾-十幾。出現(xiàn)“細(xì)頸”第二階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)力不變、應(yīng)變?cè)黾拥谌A段：成頸后的試樣重新被均勻拉伸，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增大至斷裂點(diǎn)。9影響高聚物強(qiáng)度的因素因素分為兩類：一是與材料本身有關(guān)的，包括高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量及其分布、支化和交聯(lián)、結(jié)晶與取向、增塑劑、共混、填料、應(yīng)力集中物等。二是與外界條件有關(guān)的，包括溫度、濕度、光照、氧化老化、作用力的速度等。10高彈態(tài)高聚物的力學(xué)性質(zhì)橡膠的使用溫度范圍改善高溫耐老化性能，提高耐熱性降低Tg，避免結(jié)晶，改善耐寒性1）改變橡膠的主鏈結(jié)構(gòu)2）改變?nèi)〈慕Y(jié)構(gòu)11高彈性的特點(diǎn)彈性模量很小、形變量很大形變需要時(shí)間——克服分子間的作用力和內(nèi)摩擦力橡膠受到外力壓縮或拉伸時(shí)，形變是隨時(shí)間而發(fā)展的，最后達(dá)到最大形變，該現(xiàn)象為蠕變。拉緊的橡皮會(huì)逐漸變松，這種應(yīng)力隨時(shí)間而下降或消失的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。

蠕變和應(yīng)力松弛統(tǒng)稱為力學(xué)松弛。形變時(shí)有熱效應(yīng)——熵減橡膠類物質(zhì)的形變?yōu)楦邚椥巫儯ǔ叵孪鹉z的長(zhǎng)鏈分子處于蜷曲狀態(tài)）溫度升高時(shí)，分子鏈內(nèi)各部分的熱運(yùn)動(dòng)比較激烈，回縮性增大，導(dǎo)致橡膠類物質(zhì)的彈性模量隨溫度的上升而增加。12高聚物的力學(xué)松弛-粘彈性高聚物的力學(xué)松弛現(xiàn)象力學(xué)松弛：高聚物的力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間的變化。根據(jù)高分子材料受到外部作用的情況不同，可以觀察到不同類型的力學(xué)松弛現(xiàn)象，最基本的有：蠕變、應(yīng)力松弛、滯后、力學(xué)損耗等。蠕變——指在一定的溫度和較小的恒定外力（拉力、壓力或扭力等）作用下，材料的形變隨時(shí)間的增加而逐步增大的現(xiàn)象。包括普彈形變、高彈形變和粘性流動(dòng)。131415161718應(yīng)力松弛定義：在恒定溫度和應(yīng)變保持不變的情況下，聚合物內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象。是起始應(yīng)力是松弛時(shí)間19滯后現(xiàn)象定義：聚合物在交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。產(chǎn)生滯后的原因：外力作用時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)要受到內(nèi)摩擦阻力的作用，外力變化時(shí)鏈段運(yùn)動(dòng)跟不上外力的變化，ε落后于σ。20力學(xué)損耗21粘彈性的力學(xué)模型理想彈簧和理想粘壺———組合，模擬高聚物的力學(xué)松弛過(guò)程。理想彈簧理想粘壺其力學(xué)性質(zhì)服從虎克定律，應(yīng)力和應(yīng)變與時(shí)間無(wú)關(guān)。在容器內(nèi)裝有服從牛頓流體定律的液體，應(yīng)力和應(yīng)變與時(shí)間有關(guān)。Maxwell模型對(duì)模擬應(yīng)力松弛過(guò)程很有用。還有Kelvin模型等22粘彈性與時(shí)間、溫度的關(guān)系——時(shí)溫等效原理要使高分子鏈段產(chǎn)生足夠大的活動(dòng)性才能表現(xiàn)出高彈態(tài)形變，需要一定的松弛時(shí)間；要使整個(gè)高分子鏈能夠移動(dòng)而表現(xiàn)出粘性流動(dòng)，也需要一定的松弛時(shí)間。當(dāng)溫度升高時(shí)，同一個(gè)力學(xué)行為在較高溫度下，在較短時(shí)間內(nèi)看到；也可以在較低溫度，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)看到。所以升高溫度等效于延長(zhǎng)觀察時(shí)間。對(duì)于交變力情況下，降低頻率等效于延長(zhǎng)觀察時(shí)間。借助于轉(zhuǎn)換因子可以將在某一溫度下測(cè)定的力學(xué)數(shù)據(jù)，變成另一溫度下的力學(xué)數(shù)據(jù)，這就是時(shí)溫等效原理。通過(guò)不同溫度下可以試驗(yàn)測(cè)得的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行比較或換算，得到有些高聚物實(shí)際上無(wú)