高分子材料——力学性能-（课堂PPT）

第五章高聚物的力学性能,5.1概述1-1描述力学性能的基本物理量1-2高聚物力学性能的特点5.2高聚物的拉伸行为2-1应力应变曲线2-2玻璃态非晶高聚物的拉伸2-3结晶高聚物的拉伸2-4真应力-应变曲线及其屈服判据5.3高聚物的强度3-1拉伸强度3-2冲击强度,1,5.1概述1-1描述力学性质的基本物理量,应力;应变(形变);模强度;硬度等拉伸强度(断裂强度);断裂伸长率三种基本的应变类型简单拉伸简单剪切均匀压缩,2,三种基本应变的模量,拉伸:杨氏模量E(MPa)-应力-应变F-拉伸力AO-试样原始截面积lO-试样原始长度l-伸长长度,3,三种基本应变的模量,剪切:剪切模量:G(MPa)s剪切应力剪切应变=tg,4,三种基本应变的模量,压缩:体积模量B(Kg)P流体静压力V体积变化VO原始体积,5,三种应变模量的关系,对于各向同性的材料有E=2G(1+)=3B(1-2)(泊松比):横向形变与纵向形变之比一般材料约为0.20.5注意!上述四个参数中只有两个是独立的,6,不同材料的泊松比,7,常用的几种力学强度,拉伸强度t=P/bd（最大负荷/截面积)Mpa1Mpa=9.8kg/cm210kg/cm2弯曲强度f=1.5(Plo/bd)MPa冲击强度i=W/bdKgcm/cm2注意!不同方法测量结果会有不同,8,常见塑料的拉伸和弯曲强度,9,1-2高聚物力学性能的特点,高弹性高聚物特有显示高弹性的温度范围(TgTf)分子量温度范围(TgTf)增宽(TgTf)的范围决定了橡胶的使用温度范围,10,1-2高聚物力学性能的特点,粘弹性力学行为对温度和时间有强烈的依赖关系为高聚物独特的力学行为（应力）（应变）在研究高聚物力学行为T（温度）时必须同时考虑t（时间）,11,1-2高聚物力学性能的特点,比强度特高比强度单位重量材料能承受的最大负荷,12,几种金属材料和塑料(增强)的比强度,13,5.2高聚物的拉伸行为,21应力应变曲线最常用于描述高聚物的力学性能应力应变曲线的形状取决于:化学组成,结构化学结构分子量及其分布支化交联结局及取向物理结构晶区大小与形状加工形态试验测试条件温度、速率等,14,典型的曲线,15,012345,121086420,1000psi,1psi=6890Pa,注意细颈现象,16,典型的曲线,屈服点Y:d/d=0Y前部弹性区域E大形变小可逆Y后部塑性区域E小形变大不可逆拉伸(断裂)强度X屈服点Y前断裂脆性断裂屈服点Y后断裂韧性断裂,17,五个重要性质：(1)杨氏模量(2)屈服强度(3)抗张强度(4)断裂伸长率(5)断裂韧性,Elongationatbreak,Ultimatestrength,Stress,Strain,Yieldstress,Elongationatyield,聚合物典型应力-应变曲线Winding1961,18,应力-应变过程的不同阶段,五个阶段：I：弹性形变II：屈服III：应变软化IV：冷拉V：应变硬化,IIIIIIIVV,19,22玻璃态非晶高聚物的拉伸,温度影响a)TTg进入高弹态、形变大不出现屈服点,20,22玻璃态非晶高聚物的拉伸,21,温度,0102030,(MPa),227K,293K,303K,313K,323K,333K,决定脆或韧的因素之一,22,22玻璃态非晶高聚物的拉伸,拉伸速率的影响断裂强度拉伸速率相当于温度断裂伸长率拉伸速率相当于温度,23,0.05%/min,0.5%/min,5%/min,50%/min,PVC(23C),Strain,stress,决定脆或韧的因素之二不同应变速率下聚氯乙烯的应力-应变曲线,应变速率,24,22玻璃态非晶高聚物的拉伸,受迫高弹态有些玻璃态高聚物在大应力作用下能产生大的形变(高弹形变)产生原因:外力使链段运动松弛时间E:活化能:外力:材料常数:松弛时间R:气体常数T:温度,25,无定形聚合物的冷拉,冷拉过程又称强迫高弹形变，发生取向Tg以下形变不可逆，保持取向状态加热到Tg以上发生解取向，形变可部分恢复,26,出现条件屈服应力Y断裂应力X温度范围TbT聚异丁烯*刚性链的结构因素使和E均,40,影响聚合物强度的因素,结晶、取向和交联结晶使分子间排列紧密分子间作用力取向分子链协同作用适度交联使分子间作用力过度交联将使材料变脆弱,41,影响聚合物强度的因素分子量的影响,原因:分子链的链端对强度无贡献分子量越高端链所占比例越少,强度越高极性聚合物(PA等)分子量应达20000或以上非极性聚合物(PE等)分子量应达50000或以上,42,影响聚合物强度的因素共聚和共混,共聚和共混是改善力学性能的重要手段脆性聚合物+韧性聚合物两相体系PS共混HIPS(高抗冲聚苯乙烯)PS三元共聚ABS,43,影响聚合物强度的因素增塑剂和填充料,增塑剂加入使分子间作用惰性填料(CaCO3等)降低成本填料活性填料(碳黑等)增强作用功能性填料赋于高聚物某些特殊的功能阻燃性:Mg(OH)2;Al(OH)3等减摩润滑性:石墨;二硫化钼等导电性:导电碳黑,金属粉等磁性:铁氧体,稀土类元素隔音性:高密度金属粉压电性:钛酸锆钛酸铅等,44,影响聚合物强度的因素应力集中,45,影响聚合物强度的因素应力集中,当a=b时t3o当ab时t10o甚至更大,46,影响聚合物强度的因素,拉伸温度影响:T拉伸速度影响:速度屈服强度提高(降低)拉伸速率降低(升高)拉伸温度,47,3-2冲击强度(韧性),影响冲击强度的因素结晶性:高弹态下结晶的存在使冲击强度玻璃态下结晶的寸在使冲击强度填充料:纤维状填充料可提高冲击强度粉末状填充料一般使冲击强度温度:热塑性塑料在Tg附近T冲击强度热固性塑料温度影响不明显增塑剂:加入后冲击强度但拉伸强度,48,3-2冲击强度(韧性),高聚物的增韧开发高韧性(高拉伸