1第7章高聚物的力學性能2023最新整理收集do

something27.1高聚物的強度強度是指物質抵抗破壞的能力張應力拉伸強度彎曲力矩抗彎強度壓應力壓縮強度拉伸模量彎曲模量硬度如何區分斷裂形式？——關鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂3常用的幾種力學強度拉伸強度σt=P/bd

（最大負荷/截面積)MPa

1MPa=9.8kg/cm2≈10kg/cm2

彎曲強度

σf=1.5(Plo/bd)MPa沖擊強度

σi

=W/bd

kg·cm/cm2

4三種應變模量的關系對于各向同性的材料有E=2G(1+ν)ν(泊松比):橫向形變與縱向形變之比

一般材料ν約為0.2~0.5

注意!上述四個參數中只有兩個是獨立的5不同材料的泊松比材料名稱泊松比材料名稱泊松比鋅0.21玻璃0.25鋼0.25~0.35石料0.16~0.34銅0.31~0.34聚苯乙系0.33鋁0.32~0.36聚乙烯0.38鉛0.45賽璐珞0.39汞0.50橡膠類0.49~0.506常見塑料的拉伸和彎曲強度塑料名稱拉伸強度（MPa）伸長率%拉伸模量（GPa）彎曲強度（MPa）彎曲模量（GPa）低壓聚乙烯22～3960～1500.84～0.9525～401.1～1.4聚苯乙烯35.2～63.312～252.8～3.561.2～98.4ABS塑料16.9～63.310～1400.7～2.925.3～94.93.0有機玻璃49.2～77.32～103.291.4～119聚丙烯33.7～42.2200～7001.2～1.442.2～56.21.2～1.6聚氯乙烯35.2～63.320～402.5～4.270.3～112尼龍6683603.2～3.3100～1102.9～3.0尼龍674～781502.61002.4～2.6尼龍101052～55100～2501.6891.3聚甲醛62～6860～752.891～922.6聚碳酸酯6760～1002.2～2.498～1062.0～3.0聚砜72～8520～1002.5～2.9108～1272.8聚酰亞胺94.568＞1003.2聚苯醚86.5～89.530～802.6～2.898～1372.0～2.1氯化聚醚42.360～1601.170～770.9線性聚酯802002.9117聚四氟乙烯14～25250～3500.411～147幾種金屬材料和塑料(增強)的比強度材料名稱比重拉伸強度（MPa）比強度高級合金鋼8.01280160A3鋼7.8540050鋁合金2.8420160鑄鐵7.424032聚乙烯0.953031.6尼龍661.128374.1玻璃增強尼龍661.3～1.598～218143聚酯玻璃鋼1.8290160環氧玻璃鋼1.73500280酚醛玻璃鋼1.75200115玻璃增強聚碳酸酯1.4120～13092.9玻璃增強聚乙烯1.16357.3玻璃增強聚丙烯1.05～1.2442～6350.8玻璃增強聚苯乙烯1.2～1.363～8464.6玻璃增強ABS1.23～1.3659～13397.88材料的斷裂方式分析聚合物材料的破壞可能是高分子主鏈的化學鍵斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。化學鍵拉斷15000MPa分子間滑脫5000MPa分子間扯離氫鍵500MPa范德華力100MPa理論值9高聚物的理論強度化學鍵破壞——分析思路

共價鍵的鍵能

每根鍵的鍵能

拉斷一根鍵的力

拉斷單位面積的力(拉斷強度)

*C-C鍵的鍵能U:350千焦/克分子*每根鍵的鍵能:E=U/N≈6*10-12爾格/鍵*共價鍵的原子位移:

*拉斷一根鍵的力:F=E/d≈4*10-4達因/鍵

10PE的理論強度由PE晶胞計算得每cm2有~5*1014根分子鏈

∴σ≈(4*10-4達因/鍵)*(5*1014鍵/cm2)

≈2*105kg/cm2PE的實際強度:200~400kg/cm211分子間滑脫

?分子鏈之間的次價力(氫+范)全部破壞

?一般5?長度之間的次價力約為20千焦/克分子

?

1000?長的分子鏈之間的次價力可達:~4000千焦/克分子≈11U

對于不存在氫鍵的情況其作用為3U12次價力破壞——局部破壞

?氫鍵解離能~20kJ/mol作用距離~3?破壞一個氫鍵約需作用力:1×10-10牛頓/個

?范德化力解離能~8kJ/mol作用距離~4?破壞一個范德化力約需:3×10-11牛頓/個

?假定在25?2上有一個氫鍵和一個范德化力

?理論強度:氫鍵作用σ≈3×103kg/cm2

范德化力作用σ≈1×103kg/cm2

?與高度取向纖維的強度達到同一數量級液晶聚芳酯纖維σ≈1176

kg/cm213高聚物破壞的過程

首先——在未取向部分的次價力(局部)被破壞

然后——由于應力集中使分子主鏈(局部)斷裂最后——繼續由于應力集中使出現宏觀上的斷裂

14高聚物分子結構的影響

*

增加分子鏈間的作用力可提高拉伸強度

*引入極性基團和形成氫鍵的基團σ

聚酰胺(氫鍵)>聚氯乙烯(極性基團)>聚異丁烯

*剛性鏈的結構因素使σ和E均

(2)影響聚合物強度的因素15結晶、取向和交聯

?

結晶使分子間排列緊密——

分子間作用力↑

∴σ↑

?取向——分子鏈協同作用↑∴σ↑

?適度交聯使分子間作用力↑∴σ↑

過度交聯將使材料變脆弱16原因:分子鏈的鏈端對強度無貢獻分子量越高端鏈所占比例越少,強度越高極性聚合物(PA等)

分子量應達20000或以上非極性聚合物(PE等)

分子量應達50000或以上?

分子量的影響17共聚和共混是改善力學性能的重要手段

脆性聚合物+韌性聚合物兩相體系

PS共混——HIPS(高抗沖聚苯乙烯)

PS三元共聚——ABS?

共聚和共混18增塑劑加入使分子間作用↓σ↓

惰性填料(CaCO3等)——降低成本σ↓填料活性填料(碳黑等)——增強作用σ↑

功能性填料——賦于高聚物某些特殊的功能阻燃性:Mg(OH)2;Al(OH)3

等減摩潤滑性:石墨;二硫化鉬等導電性:導電碳黑,金屬粉等磁性:鐵氧體,稀土類元素隔音性:高密度金屬粉壓電性:鈦酸鋯鈦酸鉛等?

增塑劑和填充料

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當a=b時σt≈3σo

當a>b時σt≈10σo

甚至更大應力集中效應20拉伸溫度影響:T↑σ↓拉伸速度影響:

速度↑屈服強度↑σ↑

提高(降低)拉伸速率降低(升高)拉伸溫度215.6高聚物的韌性與屈服

高分子材料抗沖擊強度是指標準試樣受高速沖擊作用斷裂時，單位斷面面積（或單位缺口長度）所消耗的能量。它描述了高分子材料在高速沖擊作用下抵抗沖擊破壞的能力和材料的抗沖擊韌性，有重要工藝意義。但它不是材料基本常數，其量值與實驗方法和實驗條件有關。抗沖擊強度的測定方法高速拉伸試驗落錘式沖擊試驗擺錘式沖擊試驗懸臂梁式（Izod）簡支梁式（Charpy）22

采用簡支梁式沖擊試驗時，將試樣放于支架上（有缺口時，缺口背向沖錘），釋放事先架起的沖錘，讓其自由下落，打斷試樣，利用沖錘回升的高度，求出沖斷試樣所消耗的功A，按下式計算抗沖擊強度：式中分別為試樣沖擊斷面的寬和厚，抗沖擊強度單位為。若實驗求算的是單位缺口長度所消耗的能量，單位為。圖

簡支梁式沖擊試驗機（Charpy）示意圖23

拉伸斷裂實驗中，材料拉伸應力-應變曲線下的面積（下圖）相當于試樣拉伸斷裂所消耗的能量，也表征材料韌性的大小。很顯然，斷裂強度高和斷裂伸長率大的材料韌性也好。

但這個能量與抗沖擊強度不同。不同在于，兩種實驗的應變速率不同，拉伸實驗速率慢而沖擊速率極快；拉伸曲線求得的能量為斷裂時材料單位體積所吸收的能量，而沖擊實驗只關心斷裂區表面吸收的能量。圖

材料拉伸實驗的應力-應變曲線

24脆性斷裂和韌性斷裂表面

圖左圖脆性試樣斷裂表面的照片；右圖韌性試樣斷裂表面的照片圖左圖脆性試樣斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣斷裂表面的電鏡照片25高分子材料的增韌改性A

橡膠增韌塑料的經典機理

橡膠增韌塑料的效果是十分明顯的。無論脆性塑料或韌性塑料，添加幾份到十幾份橡膠彈性體，基體吸收能量的本領會大幅度提高。尤其對脆性塑料，添加橡膠后基體會出現典型的脆-韌轉變。

關于橡膠增韌塑料的機理，曾有人認為是由于橡膠粒子本身吸收能量，橡膠橫跨于裂紋兩端，阻止裂紋擴展；也有人認為形變時橡膠粒子收縮，誘使塑料基體玻璃化溫度下降。

研究表明，形變過程中橡膠粒子吸收的能量很少，約占總吸收能量的10%，大部分能量是被基體連續相吸收的。另外由橡膠收縮引起的玻璃化溫度下降僅10℃左右，不足以引起脆性塑料在室溫下屈服。

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他們認為：橡膠粒子能提高脆性塑料的韌性，是因為橡膠粒子分散在基體中，形變時成為應力集中體，能促使周圍基體發生脆-韌轉變和屈服。Schmitt和Bucknall等人根據橡膠與脆性塑料共混物在低于塑料基體斷裂強度的應力作用下，會出現剪切屈服和應力發白現象；又根據剪切屈服是韌性聚合物（如聚碳酸酯）的韌性來源的觀點，逐步完善橡膠增韌塑料的經典機理。

屈服的主要形式有：引發大量銀紋（應力發白）和形成剪切屈服帶，吸收大量變形能，使材料韌性提高。剪切屈服帶還能終止銀紋，阻礙其發展成破壞性裂縫。27橡膠粒子引發銀紋示意圖圖

ABS中兩相結構示意圖其中白粒子為橡膠相圖

應力作用下橡膠粒子變形，造成應力集中，引發銀紋28圖

ABS中橡膠粒子引發銀紋的電鏡照片，其中黑粒子為橡膠相29圖PVC/ABS共混物中ABS粒子引發PVC基體產生銀紋的電鏡照片，ABS粒子中黑相為橡膠相圖

高抗沖PS共聚物中橡膠粒子引發PS基體產生銀紋的電鏡照片30剪切屈服帶圖

拉伸作用下聚碳酸酯試樣中產生剪切屈服帶的照片，注意剪切屈服帶與應力方向成45度角，出現剪切屈服帶的區域開始出現“頸縮”31能量吸收示意圖圖

HIPS和ＡＢＳ體系在應力作用下塑料基體、橡膠粒子及引發的銀紋吸收能量示意圖，其中：aM

為塑料基體吸收的能量；aK

為橡膠粒子吸收的能量；aC

為銀紋吸收的能量；aB為最后斷裂吸收的能量。注意銀紋吸收了大量能量左圖為應力－應變曲線圖；右圖為受力過程示意圖32B銀紋化現象和剪切屈服帶許多聚合物，尤其是玻璃態透明聚合物如聚苯乙烯、有機玻璃、聚碳酸酯等，在存儲及使用過程中，由于應力和環境因素的影響，表面往往會出現一些微裂紋。有這些裂紋的平面能強烈反射可見光，形成銀色的閃光，故稱為銀紋，相應的開裂現象稱為銀紋化現象。銀紋化現象圖

拉伸試樣在拉斷前產生銀紋化現象，a圖為聚苯乙烯，b圖為有機玻璃注意銀紋方向與應力方向垂直33

產生銀紋的原因有兩個：一是力學因素（拉應力、彎應力），二是環境因素（與某些化學物質相接觸）。圖

ABS試樣在彎應力下產生銀紋的電鏡照片圖

LDPE試樣在彎應力作用和在n-丙醇中浸泡時產生環境應力開裂的照片34

銀紋和裂縫不同：裂縫是宏觀開裂，內部質量為零；銀紋內部有物質填充著，質量不等于零，該物質稱銀紋質，是由高度取向的聚合物纖維束構成。銀紋具有可逆性，在壓應力下或在以上溫度退火處理，銀紋會回縮或消失，材料重新回復光學均一狀態。圖

PS試樣的銀紋內部的不同內容

a,細網目式的纖維編織物；

b,纖維編織物，中部與邊緣有亮區；

c,粗糙的纖維編織物；

d,邊緣有排列的空洞35圖

PS試樣中的一條大銀紋，銀紋長45微米，最寬處寬約2微米圖

結晶高聚物中球晶間的破壞，a,聚氨酯試樣中沿球晶邊緣出現空洞（薄膜試樣，TEM照片）b,聚丙烯試樣中球晶間出現纖維（試樣斷裂表面，SEM照片）36剪切屈服帶是材料內部具有高度剪切應變的薄層，是在應力作用下材料局部產生應變軟化形成的。剪