1、第七節 聚合物的力學性能 聚合物的力學性能指的是其受力后的響應，如形變大小、形變的可逆性及抗破損性能等，這些響應可用一些基本的指標來表征。一、 表征力學性能的基本指標（1）應變與應力 材料在外力作用下，其幾何形狀和尺寸所發生的變化稱應變或形變，通常以單位長度（面積、體積）所發生的變化來表征。 材料在外力作用下發生形變的同時，在其內部還會產生對抗外力的附加內力，以使材料保持原狀，當外力消除后，內力就會使材料回復原狀并自行逐步消除。當外力與內力達到平衡時，內力與外力大小相等，方向相反。單位面積上的內力定義為應力。 材料受力方式不同，發生形變的方式亦不同，材料受力方式主要有以下三種基本類型：（i）簡

2、單拉伸（drawing)： 材料受到一對垂直于材料截面、大小相等、方向相反并在同一直線上的外力作用。 材料在拉伸作用下產生的形變稱為拉伸應變，也稱相對伸長率（e）。拉伸應力 = F / A0 （A0為材料的起始截面積）拉伸應變（相對伸長率）e = （l - l0）/l0 = Dl / l0簡單拉伸示意圖A0l0lD lAFF（ii）簡單剪切(shearing) 材料受到與截面平行、大小相等、方向相反，但不在一條直線上的兩個外力作用，使材料發生偏斜。其偏斜角的正切值定義為剪切應變（）。A0FF簡單剪切示意圖 剪切應變 = tg 剪切應力s = F / A0（iii）均勻壓縮（pressurizi

3、ng) 材料受到均勻壓力壓縮時發生的體積形變稱壓縮應變（ V）。A0材料經壓縮以后，體積由V0縮小為V，則壓縮應變： V = （V0 - V）/ V0 = DV / V0材料受力方式除以上三種基本類型外，還有彎曲和扭轉。（iv）彎曲（bending) 對材料施加一彎曲力矩，使材料發生彎曲。主要有兩種形式：F一點彎曲（1-point bending）F三點彎曲（3-point bending）（v）扭轉（torsion）：對材料施加扭轉力矩。FF（2）彈性模量 是指在彈性形變范圍內單位應變所需應力的大小。是材料剛性的一種表征。分別對應于以上三種材料受力和形變的基本類型的模量如下： 拉伸模量（楊氏

4、模量）E：E = / 剪切模量（剛性模量）G：G = s / 體積模量（本體模量）B：B = p / V（3）硬度：是衡量材料表面承受外界壓力能力的一種指標。（4）機械強度 當材料所受的外力超過材料的承受能力時，材料就發生破壞。機械強度是衡量材料抵抗外力破壞的能力，是指在一定條件下材料所能承受的最大應力。 根據外力作用方式不同，主要有以下三種： （i）抗張強度 衡量材料抵抗拉伸破壞的能力，也稱拉伸強度。厚度d寬度bPP 在規定試驗溫度、濕度和實驗速度下，在標準試樣上沿軸向施加拉伸負荷，直至試樣被拉斷。 試樣斷裂前所受的最大負荷P與試樣橫截面積之比為抗張強度t： t = P / b d（ii）抗

5、彎強度 也稱撓曲強度或彎曲強度。抗彎強度的測定是在規定的試驗條件下，對標準試樣施加一靜止彎曲力矩，直至試樣斷裂。Pdbl0/2l0/2抗彎強度測定試驗示意圖 設試驗過程中最大的負荷為P，則抗彎強度f為： f = 1.5Pl0 / bd2 （iii）沖擊強度（impact stength)（i） 沖擊強度也稱抗沖強度, 定義為試樣受沖擊負荷時單位截面積所吸收的能量。是衡量材料韌性的一種指標。測定時基本方法與抗彎強度測定相似，但其作用力是運動的，不是靜止的。Pbl0/2l0/2d沖擊強度測定試驗示意圖 試樣斷裂時吸收的能量等于斷裂時沖擊頭所做的功W，因此沖擊強度為： i = W / bd第八節 玻

6、璃態聚合物的屈服與斷裂 玻璃態聚合物被拉伸時，典型的應力-應變曲線如右圖：在曲線上有一個應力出現極大值的轉折點B，叫屈服點，對應的應力稱屈服應力（ y ）；xB應變應力ebby玻璃態聚合物的應力-應變曲線 在屈服點之前，應力與應變基本成正比（虎克彈性），經過屈服點后，即使應力不再增大，但應變仍保持一定的伸長；當材料繼續被拉伸時，將發生斷裂，材料發生斷裂時的應力稱斷裂應力（ b ），相應的應變稱為斷裂伸長率（eb）。xB應變應力ebby玻璃態聚合物的應力-應變曲線 材料在屈服點之間發生的斷裂稱為脆性斷裂；在屈服點后發生的斷裂稱為韌性斷裂。 在屈服點后出現的較大應變在移去外力后是不能復原的。但是如

7、果將試樣溫度升到其Tg附近，該形變則可完全復原，因此它在本質上仍屬高彈形變，并非粘流形變，是由高分子的鏈段運動所引起的。強迫高彈形變 強迫高彈形變產生的原因 原因在于在外力的作用下，玻璃態聚合物中本來被凍結的鏈段被強迫運動，使高分子鏈發生伸展，產生大的形變。但由于聚合物仍處于玻璃態，當外力移去后，鏈段不能再運動，形變也就得不到復原，只有當溫度升至Tg附近，使鏈段運動解凍，形變才能復原。這種大形變與高彈態的高彈形變在本質上是相同的，都是由鏈段運動所引起。 根據材料的力學性能及其應力-應變曲線特征，可將非晶態聚合物的應力-應變曲線大致分為六類：es（1）（2）es （1）材料硬而脆：在較大應力作用

8、下，材料僅發生較小的應變，并在屈服點之前發生斷裂，具有高的模量和抗張強度，但受力呈脆性斷裂，沖擊強度較差。(聚苯乙烯、有機玻璃和酚醛樹脂，斷裂伸長率一般低于2%）（2）材料硬而強：在較大應力作用下，材料發生較小的應變，在屈服點附近斷裂，具高模量和抗張強度（有些不同配方的硬聚氯乙烯和聚苯乙烯的共混物屬于這一類，斷裂伸長率約為5%）es（3）es（4）（3）材料硬而韌：具高模量和抗張強度，斷裂伸長率較大，材料受力時，屬韌性斷裂。（這類高聚物在拉伸的過程中會產生細頸，是纖維和薄膜拉伸工藝的依據，如尼龍、聚碳酸酯） 以上三種聚合物由于強度較大，適于用做工程塑料。（4）材料軟而韌：模量低，屈服強度低，斷

9、裂伸長率大，斷裂強度較高，可用于要求形變較大的材料。（橡膠和增塑聚氯乙烯）es（5）es（6）（5）材料軟而弱：模量低，屈服強度低，中等斷裂伸長率。如一些柔軟的凝膠，很少作為材料來使用。 （6）材料弱而脆：一般為低聚物，不能直接用做材料。附：強與弱從斷裂強度sb比較；硬與軟從模量E（s/e）比較；脆與韌則可從斷裂伸長率比較。第九節 晶態聚合物的拉伸 晶態聚合物在單向拉伸時典型的應力-應變曲線如下圖：Yes 未經拉伸的晶態聚合物中，其微晶排列是雜亂的，拉伸使得晶軸與外力方向不同的微晶熔化，分子鏈沿外力方向取向再重排結晶，使得取向在熔點以下不能復原，因之產生的形變也不能復原，但加熱到熔點附近形變能

10、復原，因此晶態聚合物的大形變本質上也屬高彈性。 玻璃態和晶態聚合物的拉伸過程本質上都屬高彈形變，但其產生高彈形變的溫度范圍不同，而且在玻璃態聚合物中拉伸只使分子鏈發生取向，而在晶態聚合物中拉伸伴隨著聚集態的變化，包含結晶熔化、取向、再結晶。第十節 聚合物強度的影響因素（1）有利因素 （i）聚合物自身的結構：主鏈中引入芳雜環，可增加鏈的剛性，分子鏈易于取向，強度增加；適度交聯，有利于強度的提高。 （ii）結晶和取向：結晶和取向可使分子鏈規整排列，增加強度，但結晶度過高，可導致抗沖強度和斷裂伸長率降低，使材料變脆。（iii）共聚和共混：共聚和共混都可使聚合物綜合兩種以上均聚物的性能，可有目的地提高

11、聚合物的性能。（iv）材料復合：聚合物的強度可通過在聚合物中添加增強材料得以提高。如纖維增強復合材料之一-玻璃鋼。（2）不利因素 （i）應力集中：若材料中存在某些缺陷，受力時，缺陷附近局部范圍內的應力會急劇增加，稱為應力集中。 應力集中首先使其附近的高分子鏈斷裂和相對位移，然后應力再向其它部位傳遞。 缺陷的產生原因多種，如聚合物中的小氣泡、生產過程中混入的雜質、聚合物收縮不均勻而產生的內應力等。 （ii）惰性填料：有時為了降低成本，在聚合物中加入一些只起稀釋作用的惰性填料，如在聚合物中加入粉狀碳酸鈣。惰性填料往往使聚合物材料的強度降低。 （iii）增塑：增塑劑的加入可使材料強度降低，只適于對彈

12、性、韌性的要求遠甚于強度的軟塑料制品。 （iv）老化第十一節 高彈態聚合物的力學性能 高彈態聚合物最重要的力學性能是其高彈性。（1）高彈性的特點： （i）彈性模量小，形變量很大；（ii）形變需要時間：形變隨時間而發展直至最大形變；（iii）橡膠受拉伸會發熱。（2）高彈性的本質 高彈性是由熵變引起的，在外力作用下，橡膠分子鏈由卷曲狀態變為伸展狀態，熵減小，當外力移去后，由于熱運動，分子鏈自發地趨向熵增大的狀態，分子鏈由伸展再回復卷曲狀態，因而形變可逆。第十二節 聚合物的力學松弛-粘彈性 理想彈性體（如彈簧）在外力作用下平衡形變瞬間達到，與時間無關；理想粘性流體（如水）在外力作用下形變隨時間線性發

13、展。 聚合物的形變與時間有關，但不成線性關系，兩者的關系介乎理想彈性體和理想粘性體之間，聚合物的這種性能稱為粘彈性。 聚合物的力學性能隨時間的變化統稱為力學松弛。最基本的力學松弛現象包括蠕變、應力松弛、滯后和力學損耗等。這里主要介紹蠕變和應力松弛。 （1）蠕變 在恒溫下施加較小的恒定外力時，材料的形變隨時間而逐漸增大的力學松弛現象。如掛東西的塑料繩慢慢變長。 蠕變過程包括三種形變：e1t1t2t普彈形變示意圖（i）普彈形變（e1）： 聚合物受力時，瞬時發生的高分子鏈的鍵長、鍵角變化引起的形變，形變量較小，服從虎克定律，當外力除去時，普彈形變立刻完全回復。如右圖： （ii）高彈形變（e2）： 聚合物受力時，高分子鏈通過鏈段運動產生的形變，形變量比普彈形變大得多，但不是瞬間完成，形變與時間相關。當外力除去后，高彈形變逐漸回復。如下圖：e2t1t2t高彈形變示意圖 （iii）粘性流動（e3）： 受力時發生分子鏈的相對位移，外力除去后粘性流動不能回復