高分子材料学ppt课件

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 凝聚态 热力学概念 动力学概念 凝聚态 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 Tg 高弹态和粘流态之间的转变温度 粘流温度 Tf 图2 1线型无定形高聚物热机械曲线 玻璃态 T Tg 2 力学特征 形变量小 0 01 1 模量高 109 1010Pa 形变与时间无关 呈普弹性 3 常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料 1 分子运动机制 键长 键角的改变或支链 侧基的运动 2 1高分子材料的力学状态 高弹态 Tg Tf 1 分子运动机制 链段 解冻 可以运动 2 力学特征 形变量大 100 1000 模量小 105 107Pa形变可逆 一个松弛过程 3 常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料 分子运动特点之一 时间依赖性 物质从一种平衡状态 与外界条件相适应的另一种平衡状态 外场作用下 通过分子运动 低分子是瞬变过程 10 9 10 10秒 高分子是松弛过程 需要时间 10 1 10 4秒 各种运动单元的运动需要克服内摩擦阻力 不可能瞬时完成 运动单元多重性 键长 键角 侧基 支链 链节 链段 分子链 粘流态 Tf Td 2 力学特征 形变量很大 流动 形变不可逆模量极小 3 Tf与摩尔平均质量有关 1 分子运动机制 整链分子产生相对位移 分解温度 结晶聚合物的力学三态及其转变 2 1高分子材料的力学状态 结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 轻度结晶聚合物 温度 非晶区进入高弹态 晶区起交联点作用 整个材料具有韧性和强度 2 1高分子材料的力学状态 结晶聚合物中的非晶区处于高弹态 聚合物的硬度随结晶度的增大而 结晶度 40 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 提高 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 2 1高分子材料的力学状态 图2 2高结晶聚合物的热机械曲线 考虑 聚合物的摩尔平均质量与粘流温度的关系 粘流温度与熔点的关系 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Tg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 T Tg时高聚物处于高弹态 弹性体 T Tg时高聚物处于玻璃态 塑料 纤维 Tg是决定材料使用范围的重要参数 Tg是橡胶的最低使用温度 Tg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 A0 l0 l Dl A F F A0 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 A0 F F 三点弯曲 一点弯曲 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 straincurve 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 Yieldingpoint屈服点 Pointofelasticlimit弹性极限点 Breakingpoint断裂点 Strainsoftening应变软化 plasticdeformation塑性形变 Strainhardening应变硬化 y O N D 图2 4晶态聚合物的应力 应变曲线 2 2高分子材料的力学性能 2 2高分子材料的力学性能 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Tg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 8MPa钢 20000MPa HDPE 200MPa PS 2500MPa 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 弹性回缩力 熵弹性 弹性体进行拉伸形变时 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 Figure2 5Varioustypesofstrainresponsetoanimposedstress 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 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 应力松弛 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 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 提高聚合物玻璃化温度 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 具有高弹性橡胶 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 拉伸强度与其密度之比 2 2高分子材料的力学性能 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