第十章高聚物的力學性質玻璃態和結晶態高聚物的力學性質高彈態高聚物的力學性質高聚物的力學松弛——粘彈性1

玻璃態和結晶態高聚物的力學性質基本物理量

1）應力當材料受到外力作用平衡時，附加內力和外力相等，單位面積上的附加內力（外力）稱為應力。

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

、Pa、達因/厘米2等3）彈性模量對于理想的彈性固體，應力和應變服從虎克定律，即應力和應變成正比，比例常數稱為彈性模量。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。2三種基本的應變類型1）簡單拉伸——相對應的模量為楊氏模量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。拉伸應變：習用應力：真應力：真應變：32）簡單剪切——相對應的模量為剪切模量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——相對應的模量為體積模量B材料受到周圍壓力P的作用，發生體積變形。對于各向同性材料：為泊松比（定義：在拉伸實驗中，材料橫向單位寬度的減小與縱向單位長度的增加之比值。5理想不可壓縮體變形時，體積不變。大多數材料在變形時，有體積變化，拉伸時發生膨脹。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對于各向異性的材料，情況復雜，在此不討論。6常用的力學性能指標拉伸強度在規定試驗溫度、濕度和試驗速度下，在標準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械壓力的能力的一種指標。沖擊強度——衡量材料韌性的一種強度指標，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高聚物的拉伸屈服應力、斷裂應力、斷裂伸長率脆性斷裂（材料屈服之前發生的斷裂）、韌性斷裂（材料屈服之后發生的斷裂）8玻璃態高聚物的強迫高彈形變結晶高聚物的拉伸強迫高彈形變第一階段：應力隨應變線性增加，試樣被均勻地拉長，伸長率為百分之幾-十幾。出現“細頸”第二階段：應力-應變曲線表現為應力不變、應變增加第三階段：成頸后的試樣重新被均勻拉伸，應力隨應變的增加而增大至斷裂點。9影響高聚物強度的因素因素分為兩類：一是與材料本身有關的，包括高分子的化學結構、分子量及其分布、支化和交聯、結晶與取向、增塑劑、共混、填料、應力集中物等。二是與外界條件有關的，包括溫度、濕度、光照、氧化老化、作用力的速度等。10高彈態高聚物的力學性質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，避免結晶，改善耐寒性1）改變橡膠的主鏈結構2）改變取代基的結構11高彈性的特點彈性模量很小、形變量很大形變需要時間——克服分子間的作用力和內摩擦力橡膠受到外力壓縮或拉伸時，形變是隨時間而發展的，最后達到最大形變，該現象為蠕變。拉緊的橡皮會逐漸變松，這種應力隨時間而下降或消失的現象稱為應力松弛。

蠕變和應力松弛統稱為力學松弛。形變時有熱效應——熵減橡膠類物質的形變為高彈形變（常溫下橡膠的長鏈分子處于蜷曲狀態）溫度升高時，分子鏈內各部分的熱運動比較激烈，回縮性增大，導致橡膠類物質的彈性模量隨溫度的上升而增加。12高聚物的力學松弛-粘彈性高聚物的力學松弛現象力學松弛：高聚物的力學性質隨時間的變化。根據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松弛現象，最基本的有：蠕變、應力松弛、滯后、力學損耗等。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，材料的形變隨時間的增加而逐步增大的現象。包括普彈形變、高彈形變和粘性流動。131415161718應力松弛定義：在恒定溫度和應變保持不變的情況下，聚合物內部的應力隨時間增加而逐漸衰減的現象。是起始應力是松弛時間19滯后現象定義：聚合物在交變應力作用下，應變落后于應力的現象。產生滯后的原因：外力作用時，鏈段運動要受到內摩擦阻力的作用，外力變化時鏈段運動跟不上外力的變化，ε落后于σ。20力學損耗21粘彈性的力學模型理想彈簧和理想粘壺———組合，模擬高聚物的力學松弛過程。理想彈簧理想粘壺其力學性質服從虎克定律，應力和應變與時間無關。在容器內裝有服從牛頓流體定律的液體，應力和應變與時間有關。Maxwell模型對模擬應力松弛過程很有用。還有Kelvin模型等22粘彈性與時間、溫度的關系——時溫等效原理要使高分子鏈段產生足夠大的活動性才能表現出高彈態形變，需要一定的松弛時間；要使整個高分子鏈能夠移動而表現出粘性流動，也需要一定的松弛時間。當溫度升高時，同一個力學行為在較高溫度下，在較短時間內看到；也可以在較低溫度，較長時間內看到。所以升高溫度等效于延長觀察時間。對于交變力情況下，降低頻率等效于延長觀察時間。借助于轉換因子可以將在某一溫度下測定的力學數據，變成另一溫度下的力學數據，這就是時溫等效原理。通過不同溫度下可以試驗測得的力學性質進行比較或換算，得到有些高聚物實際上無