1、 2.1 高分子材料的力學(xué)狀態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài) 物質(zhì)的物理狀態(tài)物質(zhì)的物理狀態(tài) 相相 態(tài)態(tài) 凝膠態(tài)凝膠態(tài) 熱力學(xué)概念熱力學(xué)概念 動力學(xué)概念動力學(xué)概念 凝膠態(tài)凝膠態(tài) 根據(jù)物質(zhì)根據(jù)物質(zhì)對對外場外場（外部作用）特別是外力場（外部作用）特別是外力場 的響應(yīng)特性的響應(yīng)特性劃分。劃分。 按物質(zhì)按物質(zhì)力學(xué)性能力學(xué)性能隨隨溫度溫度變化的特性劃分。變化的特性劃分。 力學(xué)狀態(tài)力學(xué)狀態(tài) 2.1 高分子材料的力學(xué)狀態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài) 物質(zhì)的力學(xué)三態(tài)物質(zhì)的力學(xué)三態(tài) 氣氣態(tài)態(tài) 液液態(tài)態(tài) 固固態(tài)態(tài) 溫度增加溫度增加 聚合物力學(xué)狀態(tài)具有特殊性。原因：聚合物力學(xué)狀態(tài)具有特殊性。原因： 沒有氣態(tài)；沒有氣態(tài)； 具有非晶態(tài)具有

2、非晶態(tài)； 結(jié)晶具有不完善性。結(jié)晶具有不完善性。 熱機械曲線熱機械曲線（形變（形變- -溫度曲線）實驗示意溫度曲線）實驗示意 2.1 高分子材料的力學(xué)狀態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài) 等速升溫等速升溫 線型無定形線型無定形聚合物的力學(xué)三態(tài)及其轉(zhuǎn)變聚合物的力學(xué)三態(tài)及其轉(zhuǎn)變 2.1 高分子材料的力學(xué)狀態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài) 線形無定形聚合物的力學(xué)三態(tài)：線形無定形聚合物的力學(xué)三態(tài)：玻璃態(tài)玻璃態(tài)、高彈態(tài)高彈態(tài)、粘流態(tài)粘流態(tài) 玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度：玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度：玻璃化轉(zhuǎn)變溫（玻璃化轉(zhuǎn)變溫（Tg ）；）； 高彈態(tài)和粘流態(tài)之間的轉(zhuǎn)變溫度：高彈態(tài)和粘流態(tài)之間的轉(zhuǎn)變溫度： 粘流溫度（粘流溫度（Tf） 圖圖

3、2.1 線型無定形高聚物熱機械曲線線型無定形高聚物熱機械曲線 玻璃態(tài)玻璃態(tài) T40% 晶區(qū)互相銜接，晶區(qū)互相銜接，貫穿成連續(xù)相貫穿成連續(xù)相。觀察不到明顯的。觀察不到明顯的 非晶區(qū)玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。非晶區(qū)玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。 2.1 高分子材料的力學(xué)狀態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài) 圖圖2.2 高結(jié)晶度聚合物的熱機械曲線高結(jié)晶度聚合物的熱機械曲線 不呈現(xiàn)高彈態(tài)不呈現(xiàn)高彈態(tài) 呈現(xiàn)高彈態(tài)呈現(xiàn)高彈態(tài) 結(jié)晶聚合物能否觀察到高彈態(tài)，取決于結(jié)晶聚合物能否觀察到高彈態(tài)，取決于聚合物的摩聚合物的摩 爾平均質(zhì)量爾平均質(zhì)量。 問題：問題：交聯(lián)、網(wǎng)狀聚合物是否有粘流態(tài)？交聯(lián)、網(wǎng)狀聚合物是否有粘流態(tài)？ Cross-linked 交聯(lián)

4、交聯(lián) Network（3D） 網(wǎng)狀網(wǎng)狀 答案：答案：不出現(xiàn)粘流態(tài)。不出現(xiàn)粘流態(tài)。 2.1 高分子材料的力學(xué)狀態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài) 玻璃化轉(zhuǎn)變玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象及現(xiàn)象及Tg的重要性的重要性 2.1 高分子材料的力學(xué)狀態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài) 玻璃化轉(zhuǎn)變是高聚物的一種玻璃化轉(zhuǎn)變是高聚物的一種普遍現(xiàn)象普遍現(xiàn)象。 發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時，許多物理性能發(fā)生急劇變化，可完全發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時，許多物理性能發(fā)生急劇變化，可完全 改變材料的使用性能改變材料的使用性能： TTg 時高聚物處于高彈態(tài)（彈性體）時高聚物處于高彈態(tài)（彈性體） TTg 時高聚物處于玻璃態(tài)（塑料、纖維）時高聚物處于玻璃態(tài)（塑料、纖維） Tg是決定材料

5、使用范圍的重要參數(shù)：是決定材料使用范圍的重要參數(shù)： Tg 是橡膠的最低使用溫度是橡膠的最低使用溫度 Tg 是塑料的最高使用溫度是塑料的最高使用溫度 自由體積理論自由體積理論 表征材料力學(xué)性能的基本指標表征材料力學(xué)性能的基本指標 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變應(yīng)變 彈性模量彈性模量 - - 拉伸（楊氏）模量拉伸（楊氏）模量 剪切（剛性）模量剪切（剛性）模量 體積（本體）模量體積（本體）模量 硬度硬度 機械強度機械強度 - - 拉伸（抗張）強度拉伸（抗張）強度 彎曲強度彎曲強度 沖擊強度沖擊強度 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變 應(yīng)變（形變）：外力作用而不產(chǎn)生慣性移動時應(yīng)變

6、（形變）：外力作用而不產(chǎn)生慣性移動時其其 幾何形狀幾何形狀和和尺寸尺寸所發(fā)生的變化。所發(fā)生的變化。 材料材料 發(fā)生形變發(fā)生形變 產(chǎn)生附加內(nèi)力產(chǎn)生附加內(nèi)力 內(nèi)力使形變回復(fù)并自行逐步消除內(nèi)力使形變回復(fù)并自行逐步消除 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 應(yīng)力：單位面積上的應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力內(nèi)力。 外力作外力作 用用 材料材料欲保持欲保持原原 狀狀 外力外力卸載卸載 簡單拉伸示意圖簡單拉伸示意圖 產(chǎn)生的形變產(chǎn)生的形變-拉伸形變拉伸形變/相對伸長率相對伸長率 A0 l0 l D D l A F F A0 F F 簡單剪切示意圖簡單剪切示意圖 剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變 材料受

7、力方式的基本類型材料受力方式的基本類型 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 A0 F F 三點彎曲三點彎曲一點彎曲一點彎曲 F F 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 均勻壓縮均勻壓縮 體積形變體積形變 壓縮應(yīng)變壓縮應(yīng)變 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 電子萬能材料試驗機電子萬能材料試驗機 實驗條件：一定拉伸速率和溫度實驗條件：一定拉伸速率和溫度 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 標準啞標準啞 鈴型試鈴型試 樣樣 圖圖2.3 高分子材料三種典型的應(yīng)力高分子材料三種典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 A

8、 A E D D A Y B Yielding point 屈服點屈服點 Point of elastic limit 彈性極限點彈性極限點 Breaking point 斷裂點斷裂點 A B A Y B Strain softening 應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化 plastic deformation 塑性形變塑性形變 Strain hardening 應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化 y y O N D 圖圖2.4 非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（玻璃態(tài)）應(yīng)變曲線（玻璃態(tài)） 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 序號序號12345 類型

9、類型硬而脆硬而脆硬而強硬而強強而韌強而韌軟而韌軟而韌軟而弱軟而弱 曲線曲線 模量模量高高高高高高低低低低 拉伸強度拉伸強度中中高高高高中中低低 斷裂伸長率斷裂伸長率小小中中大大很大很大中中 斷裂能斷裂能小小中中大大大大小小 實例實例 PS PMMA 酚醛樹脂酚醛樹脂 硬硬PVC 增韌增韌EP PC ABS HDPE 硫化橡膠硫化橡膠 軟軟PVC 未硫化橡膠未硫化橡膠 齊聚物齊聚物 軟軟硬：模量硬：模量強強弱：拉伸強度弱：拉伸強度韌韌脆：斷裂能脆：斷裂能 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 高彈性高彈性 高彈性的特點：高彈性的特點： 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能

10、 聚合物（在聚合物（在Tg以上）處于高彈態(tài)時所表現(xiàn)出的獨特以上）處于高彈態(tài)時所表現(xiàn)出的獨特 的力學(xué)性質(zhì)，又稱橡膠彈性。的力學(xué)性質(zhì)，又稱橡膠彈性。 高彈態(tài)高彈態(tài)聚合物最重要的力學(xué)聚合物最重要的力學(xué) 性能性能 彈性模量小；彈性模量小； 橡膠橡膠: 0.2-8 MPa 鋼：鋼：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa 形變量一般形變量一般500%，可達，可達1000%。普通金屬材料的形。普通金屬材料的形 變量變量1 形變量很大；形變量很大； 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 高彈形變有時間依賴性，具有力學(xué)松弛特性高彈形變有時間依賴性，具有力學(xué)松弛特性 高

11、彈形變時分子運動需要時間高彈形變時分子運動需要時間 形變過程有明顯的熱效應(yīng)形變過程有明顯的熱效應(yīng) 彈性體：拉伸彈性體：拉伸放熱放熱 回縮回縮吸熱吸熱 溫度溫度 ，鏈段運動加劇，回縮力，鏈段運動加劇，回縮力 ，維持相同形變所需，維持相同形變所需 的作用力的作用力 抵抗變形的能力升高。抵抗變形的能力升高。 溫度溫度升高，升高，彈性模量彈性模量增大增大 ； 高彈性的本質(zhì)高彈性的本質(zhì) 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 高彈性由熵變引起高彈性由熵變引起 拉伸彈性體時外力所做的功拉伸彈性體時外力所做的功 主要轉(zhuǎn)為高分子鏈構(gòu)象熵的減小主要轉(zhuǎn)為高分子鏈構(gòu)象熵的減小 體系為熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)體系為

12、熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài) 去除外力體系回復(fù)到初始狀態(tài)去除外力體系回復(fù)到初始狀態(tài) 熱力學(xué)第一定熱力學(xué)第一定 律律 熱力學(xué)第二定熱力學(xué)第二定 律律 熵彈性熵彈性 粘彈性粘彈性 外力作用時，同時發(fā)生外力作用時，同時發(fā)生高彈變形高彈變形和和粘性流動粘性流動。 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 聚合物最重要的力學(xué)性能聚合物最重要的力學(xué)性能 之一之一 Figure 2.5 Various types of strain response to an imposed stress. 靜態(tài)粘彈性靜態(tài)粘彈性 動態(tài)粘彈性動態(tài)粘彈性 蠕變?nèi)渥?應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛 聚合物粘彈性聚合物粘彈性 ：溫度、應(yīng)力一定，隨

13、時溫度、應(yīng)力一定，隨時 間的延長形變增加。間的延長形變增加。 ：溫度、形變一定，應(yīng)力溫度、形變一定，應(yīng)力 隨時間延長而減小隨時間延長而減小。 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 F 力學(xué)松弛力學(xué)松弛 行為行為 滯后滯后 力學(xué)損耗（內(nèi)耗）力學(xué)損耗（內(nèi)耗） 自學(xué)自學(xué) 圖圖2.6 蠕變、應(yīng)力松弛示意圖蠕變、應(yīng)力松弛示意圖. 蠕變過程包括蠕變過程包括 三種形變?nèi)N形變 圖圖2-6 線形非晶態(tài)聚合物線形非晶態(tài)聚合物 的的蠕變及回復(fù)曲線蠕變及回復(fù)曲線 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 普彈普彈形變形變1 運動單元：鍵長、鍵角運動單元：鍵長、鍵角 形變特點：形變量小，與時間無關(guān)

14、，形變形變特點：形變量小，與時間無關(guān)，形變 可完全回復(fù)可完全回復(fù) 高彈高彈形變形變2 運動單元：鏈段運動單元：鏈段 形變特點：形變量大，與時間有關(guān)，可逐形變特點：形變量大，與時間有關(guān)，可逐 漸回復(fù)漸回復(fù) 粘性粘性流動流動3 運動單元：分子鏈運動單元：分子鏈 形變特點：不可逆形變形變特點：不可逆形變 2+ 3 t 3 3 1 2 1 提提高材料抗蠕變性能的途徑高材料抗蠕變性能的途徑: : 蠕變大小反映了材料尺寸的蠕變大小反映了材料尺寸的穩(wěn)定性穩(wěn)定性和和長期負載能力長期負載能力。 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 a. a. 聚合物玻璃化溫度高于聚合物玻璃化溫度高于室溫室溫； b.

15、 b. 聚合物分子鏈含有苯環(huán)等聚合物分子鏈含有苯環(huán)等剛性鏈剛性鏈； c.c.交聯(lián)交聯(lián): :可以防止分子間的相對滑移。可以防止分子間的相對滑移。 高分子材料的高分子材料的力學(xué)性能特點力學(xué)性能特點 強度低，強度低，比強度高比強度高; 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能 高彈性高彈性，彈性模量低彈性模量低; 橡膠橡膠 典型的高彈性材料：彈性變形率為典型的高彈性材料：彈性變形率為100%1000% 彈性模量僅為彈性模量僅為1MPa 高耐磨性高耐磨性； 塑料的摩擦系數(shù)小，有些塑料具有自潤滑性能。塑料的摩擦系數(shù)小，有些塑料具有自潤滑性能。 具有具有粘彈性粘彈性 2.2 高分子材料的力學(xué)性能高

16、分子材料的力學(xué)性能 材材 料料 名名 稱稱比比 重重拉伸強度（拉伸強度（MPa）比比 強強 度度 高級合金鋼高級合金鋼8.01280160 鋁合金鋁合金2.8420160 鑄鐵鑄鐵7.424032 聚乙烯聚乙烯0.953031.6 尼龍尼龍661.128374.1 玻璃增強尼龍玻璃增強尼龍661.31.598218143 環(huán)氧玻璃鋼環(huán)氧玻璃鋼1.73500280 玻璃增強聚乙烯玻璃增強聚乙烯1.16357.3 表表2.1 幾種材料的幾種材料的機械強度機械強度 聚合物高電阻率聚合物高電阻率 可能積累大量靜電荷可能積累大量靜電荷 高絕緣性；高絕緣性； 低耐熱性；低耐熱性；通用高分子材料的耐熱溫度通

17、用高分子材料的耐熱溫度 200 低導(dǎo)熱性：低導(dǎo)熱性：金屬的金屬的1/500-1/600 高化學(xué)穩(wěn)定性；高化學(xué)穩(wěn)定性； 高熱膨脹性：高熱膨脹性：比金屬大比金屬大3-10倍倍 2.3 高分子材料的物化性能特點高分子材料的物化性能特點 較易老化。較易老化。 高分子材料在貯存、使用過程中，由于自身結(jié)構(gòu)，高分子材料在貯存、使用過程中，由于自身結(jié)構(gòu)， 或受或受光，熱，氧，機械力、生物侵蝕等光，熱，氧，機械力、生物侵蝕等影響，性能影響，性能 逐漸變壞，直至喪失使用價值的現(xiàn)象。逐漸變壞，直至喪失使用價值的現(xiàn)象。 2.3 高分子材料的性能特點高分子材料的性能特點 防止老化措施：防止老化措施： 改變自身結(jié)構(gòu)；改變自身結(jié)構(gòu)； 加入防老化劑；加入防老化劑； 表面處理：鍍金屬或涂抗老化涂料。表面處理：鍍金屬或涂抗老化涂料。 作業(yè)：作業(yè)： 一、名詞術(shù)語解釋一、名詞術(shù)語解釋 1 1、結(jié)晶度、結(jié)晶度 2 2、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T Tg g） 3 3、粘流溫度（、粘流溫度（T Tf f） 4 4、應(yīng)變、應(yīng)變 5 5、蠕變、蠕變 二、簡答二、簡答