高分子材料的力学状态

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2,、高分子材料的,性能特点,2.1,高分子材料的力学状态,物质的物理状态,相 态,凝胶态,热力学概念,动力学概念,凝胶态,根据物质,对,外场,（外部作用）特别是外力场,的响应特性,划分。,按物质,力学性能,随,温度,变化的特性划分。,力学状态,2.1,高分子材料的力学状态,物质的力学三态,气,态,液,态,固,态,温度增加,聚合物力学状态具有特殊性。原因：,没有气态；,具有非晶态,；,结晶具有不完善性。,热机械曲线,（形变,-,温度曲线）实验示意,2.1,高分子材料的力学状态,等速升温,线型无定形,聚合物的力学三态及其转变,2.1,高分子材料的力学状态,线形无定形聚合物的力学三态：,玻璃态,、,高弹态,、,粘流态,玻璃态向高弹态转变的温度：,玻璃化转变温（,T,g,）；,高弹态和粘流态之间的转变温度：,粘流温度（,T,f,）,图,2.1,线型无定形高聚物热机械曲线,玻璃态,T40%,晶区互相衔接，,贯穿成连续相,。观察不到明显的,非晶区玻璃化转变现象。,2.1,高分子材料的力学状态,图,2.2,高结晶度聚合物的热机械曲线,不呈现高弹态,呈现高弹态,结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于,聚合物的摩尔平均质量,。,问题：,交联、网状聚合物是否有粘流态？,Cross-linked,交联,Network,（,3D,）,网状,答案：,不出现粘流态。,2.1,高分子材料的力学状态,玻璃化转变,现象及,T,g,的重要性,2.1,高分子材料的力学状态,玻璃化转变是高聚物的一种,普遍现象,。,发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全,改变材料的使用性能,：,TT,g,时高聚物处于高弹态（弹性体）,TT,g,时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）,T,g,是决定材料使用范围的重要参数：,T,g,是橡胶的最低使用温度,T,g,是塑料的最高使用温度,自由体积理论,表征材料力学性能的基本指标,2.2,高分子材料的力学性能,应力,-,应变,弹性模量,-,拉伸（杨氏）模量,剪切（刚性）模量,体积（本体）模量,硬度,机械强度,-,拉伸（抗张）强度,弯曲强度,冲击强度,应力,-,应变,应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时,其,几何形状,和,尺寸,所发生的变化。,材料,发生形变 产生附加内力,内力使形变回复并自行逐步消除,2.2,高分子材料的力学性能,应力：单位面积上的,内力,。,外力作用,材料,欲保持,原状,外力,卸载,简单拉伸示意图,产生的形变,-,拉伸形变,/,相对伸长率,A,0,l,0,l,D,l,A,F,F,A,0,F,F,简单剪切示意图,剪切应力、剪切应变,材料受力方式的基本类型,2.2,高分子材料的力学性能,A,0,F,F,三点弯曲,一点弯曲,F,F,扭转,均匀压缩,体积形变,压缩应变,2.2,高分子材料的力学性能,电子万能材料试验机,实验条件：一定拉伸速率和温度,2.2,高分子材料的力学性能,应力,-,应变曲线,Stress-strain,curve,标准哑铃型试样,图,2.3,高分子材料三种典型的应力,-,应变曲线,2.2,高分子材料的力学性能,A,Y,B,Yielding point,屈服点,Point of elastic limit,弹性极限点,Breaking point,断裂点,Strain softening,应变软化,plastic deformation,塑性形变,Strain hardening,应变硬化,y,O,N,D,图,2.4,非,晶态聚合物的应力,-,应变曲线（玻璃态）,2.2,高分子材料的力学性能,2.2,高分子材料的力学性能,序号,1,2,3,4,5,类型,硬而脆,硬而强,强而韧,软而韧,软而弱,曲线,模量,高,高,高,低,低,拉伸强度,中,高,高,中,低,断裂伸长率,小,中,大,很大,中,断裂能,小,中,大,大,小,实例,PS PMMA,酚醛树脂,硬,PVC,增韧,EP,PC ABS HDPE,硫化橡胶,软,PVC,未硫化橡胶,齐聚物,软,硬：模量,强,弱：拉伸强度,韧,脆：断裂能,2.2,高分子材料的力学性能,高弹性,高弹性的特点：,2.2,高分子材料的力学性能,聚合物（在,T,g,以上）处于高弹态时所表现出的独特的力学性质，又称橡胶弹性。,高弹态,聚合物最重要的力学性能,弹性模量小；,橡胶:0.2-8,MPa,钢：20000,MPa,；,HDPE:200 MPa,；,PS:2500 MPa,形变量一般500%，可达1000%。普通金属材料的形变量1,形变量很大；,2.2,高分子材料的力学性能,高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性,高弹形变时分子运动需要时间,形变过程有明显的热效应,弹性体：拉伸放热,回缩吸热,温度,，链段运动加剧，回缩力,，维持相同形变所需的作用力,抵抗变形的能力升高。,温度,升高，,弹性模量,增大,；,高弹性的本质,2.2,高分子材料的力学性能,高弹性由熵变引起,拉伸弹性体时外力所做的功,主要转为高分子链构象熵的减小,体系为热力学不稳定状态,去除外力体系回复到初始状态,热力学第一定律,热力学第二定律,熵弹性,粘弹性,外力作用时，同时发生,高弹变形,和,粘性流动,。,2.2,高分子材料的力学性能,聚合物最重要的力学性能之一,Figure 2.5 Various types of strain response to an imposed stress,.,静态粘弹性,动态粘弹性,蠕变,应力松弛,聚合物粘弹性,：,温度、应力一定，随时,间的延长形变增加。,：,温度、形变一定，应力,随时间延长而减小,。,2.2,高分子材料的力学性能,F,力学松弛,行为,滞后,力学损耗（内耗）,自学,图,2.6,蠕变、应力松弛示意图,.,蠕变过程包括,三种形变,图,2-6,线形非晶态聚合物,的,蠕变及回复曲线,2.2,高分子材料的力学性能,普弹,形变,1,运动单元：键长、键角,形变特点：形变量小，与时间无关，形变,可完全回复,高弹,形变,2,运动单元：链段,形变特点：形变量大，与时间有关，可逐,渐回复,粘性,流动,3,运动单元：分子链,形变特点：不可逆形变,e,2,+,e,3,t,e,e,3,e,1,e,2,e,1,提,高材料抗蠕变性能的途径,:,蠕变大小反映了材料尺寸的,稳定性,和,长期负载能力,。,2.2,高分子材料的力学性能,a.,聚合物玻璃化温度高于,室温,；,b.,聚合物分子链含有苯环等,刚性链,；,c.,交联,:,可以防止分子间的相对滑移。,高分子材料的,力学性能特点,强度低，,比强度高,;,2.2,高分子材料的力学性能,高弹性,，,弹性模量低,;,橡胶,典型的高弹性材料：弹性变形率为,100%,1000%,弹性模量仅为,1MPa,高耐磨性,；,塑料的摩擦系数小，有些塑料具有自润滑性能,。,具有,粘弹性,2.2,高分子材料的力学性能,材 料 名 称,比 重,拉伸强度（,MP,a,）,比 强 度,高级合金钢,8.0,1280,160,铝合金,2.8,420,160,铸铁,7.4,240,32,聚乙烯,0.95,30,31.6,尼龙,66,1.12,83,74.1,玻璃增强尼龙,66,1.3,1.5,98,218,143,环氧玻璃钢,1.73,500,280,玻璃增强聚乙烯,1.1,63,57.3,表,2.1,几种材料的,机械强度,聚合物高电阻率 可能积累大量静电荷,高绝缘性；,低耐热性；,通用高分子材料的耐热温度,200,低导热性：,金属的,1/500-1/600,高化学稳定性；,高热膨胀性：,比金属大,3-10,倍,2.3,高分子材料的物化性能特点,较易老化。,高分子材料在贮存、使用过程中，由于自身结构，,或受,光，热，氧，机械力、生物侵蚀等,影响，性能,逐渐变坏，直至丧失使用价值的现象。,2.3,高分子材料的性能特点,防止老化措施：,改变自身结构；,加入防老化剂；,表面处理：镀金属或涂抗老化涂料。,作业：,一、名词术语解释,1,、结晶度,2,、玻璃化转变温度（,T,g,）,3,、粘流温度（,T,f,）,4,、应变,5,、蠕变,二、简答,1,、高弹性为什么又称为熵弹性？,2,、简要阐述聚合物的粘弹性。,3,、描述高分子材料的软硬、强弱和韧脆的指标分别是什么？,4,、请说明非晶态聚合物力学三态的运动单元。,三、论述题,1,、画出塑料材料的应力应变曲线，并对其进行描述？,2,、高分子材料的使用温度同玻璃化转变温度有什么关系？,