高分子材料(力学性能).ppt

第五章：高分子材料的基本性能,公共信箱：gaofzcl密码：111111,目的：掌握高分子材料的基本性能的普遍规律-核心能够运用结构及分子运动基本理论进行分析,作业信箱：gaojin918,力学性能热性能电性能溶解、渗透性能老化性能燃烧性能,分子设计及改性的基本思路及途径,基本内容,三种力学状态：粘流态：高弹态：玻璃态（结晶态）,粘弹性,：,5.1力学性能,高分子材料流变特性？用分子运动原理分析。流变性的测试分析方法？分析PP、PS成型加工条件对流动性的影响。,一、高聚物的流动性（流变性基础简介）,1、特征粘度大；分子量越大，粘度越大；分布越宽，粘度越大；流动机理：分子重心相对位移，是由链段的相继跃迁实现的伴有高弹形变具有粘弹性现象：出口膨大、爬杆效应、融体破裂,5.1力学性能,成型过程中的指导：如：成型时粘度过大原因？如何解决？涂料涂装时流挂问题如何解决？,4）是一假塑性流体：,A、基本名词：剪切应力、剪切速率,随剪切速率（剪切应力的增加，表观粘度下降的流体）,5.1力学性能,一、高聚物的流动性,？,B、假塑性原因,大分子延剪切力方向的取向，及带来的解缠,5.1力学性能,一、高聚物的流动性,B、幂律方程：Kn,n=1:牛顿流体（曲线2）n1:胀流性流体（曲线4）,n:非牛顿指数；,D、触变性流体：t延长，粘度迅速下降；（例：重防腐涂料中的应用）震凝性流体：反之,全剪切应力下的流变曲线,曲线3：宾汉流体,5.1力学性能,一、高聚物的流动性,1、第一牛顿区2、第二牛顿区,5.1力学性能,一、高聚物的流动性,2、与结构的关系（、Tf、非牛顿性）,1）分子量：分子量越大，粘度越大，Tf越高，非牛顿性越大,2）分布：一般越宽：低剪切下：粘度越大，高剪切下：粘度越小Tf越低，非牛顿性越大,因为：缠结,解缠能力,5.1力学性能,一、高聚物的流动性,3）柔性：柔性越大，Tf越低，非牛顿性越大（粘度对剪切的敏感性大）刚性越大：粘度对温度的敏感性越大,4）分子间作用力：越大：Tf越高，粘度越高，粘度对温度的敏感性大,5.1力学性能,一、高聚物的流动性,2、与结构的关系（、Tf、非牛顿性）,链段活动能力，长链的卷曲,实际应用的指导意义：塑料成型生产、涂料,3、表征粘度：（测定：）熔融指数：在恒定的压力、温度下，单位时间内流过特定毛细孔（1mm2)聚合物的重量。,5.1力学性能,一、高聚物的流动性,原材料的重要指标！,分子量及分布的综合体现,指导选材、成型工艺的设计,力学性能,橡胶高弹性对结构的基本要求？橡胶力学性能特征？高弹性的本质？比较顺丁橡胶、乙丙橡胶的高弹性能？,二、橡胶的高弹性,链段运动的体现，高分子特有,1、高弹性的特点：E（模量）小，为钢材的1/105泊松比小0.5V=0温度升高，E增大；（与金属反之）形变时有热效应（发展时，升温（放热）在一定条件下，高弹形变表现明显的松弛现象时间依赖性,5.1力学性能,橡胶具有高弹性的结构要求？指导我们根据高弹性的使用要求如何来选择材料。,2、高弹性的本质：,链段的取向与解取向，是一松弛过程,解释特征4:H=UTSH=TS所以：形变过程中，有热效应,（形变发展：S0，放热）,5.1力学性能,二、橡胶的高弹性,3、的关系,特征3：E与T成正比,5.1力学性能,二、橡胶的高弹性,3.关系,4、橡胶高弹性的结构要求*1）柔性好，柔性好的不一定具有高弹性2）不结晶无束缚3)分子量高提供交联度，强度高4）交联无永久性形变,5.1力学性能,二、橡胶的高弹性,高分子材料的尺寸稳定性影响因素？高分子材料粘弹性的表现及影响因素？用分子运动理论、松弛理论分析高分子材料力学损耗的影响因素？,三、粘弹性,既具有弹性，又具有粘性,明显的松弛过程时间依赖性,1、静态粘弹性：（非交变）,蠕变：一定T、一定，观察t的变化,应力松弛：一定T、一定，观察t的变化,瞬时弹性高弹永久,(交联曲线2）,1)蠕变、应力松弛现象,5.1力学性能,t,实际中的尺寸稳定性问题、密封问题、疲劳问题的分析、选材高分子材料性能不同于其他材料，出现规律反常时运用粘弹性来分析。,原因：链段运动，调节构象来适应外力,力不变，调节结果：形变增大蠕变,形变不变，调节结果:内力减小，相对的外力变小应力松弛,3）应用：工程塑料的尺寸稳定性、密封问题等例：,4）粘弹模型：,建立模型模拟曲线得到参数,理想粘壶理想弹簧,Maxwell模型描述应力松弛,Kelvin模型描述蠕变,串联,并联,2）原因：,三、粘弹性,5.1力学性能,三、粘弹性,5.1力学性能,应力周期性变化：0Sint应变：0Sin（t）落后一相位角,滞后：一定温度下，受交变的应力，形变随时间的变化跟不上力随时间的变化,结果：产生滞后圈能耗（机械能（弹性能）热能）力学损耗,力学损耗因子*：tan,-损耗模量-储能模量,2、动态粘弹性（滞后）,三、粘弹性,5.1力学性能,影响因素*：1）结构：分子柔性、分子间作用力等-2）时间：（1/t(观察）小t长：链段完全跟上大t短：链段完全跟不上硬，甚至脆适中t：滞后明显tan有最大值,3）温度：-T增大，减小，分析:链段运动（时温等效原理）,应用意义：指导力学（及其它物理）特性的分析及应用，意义大（例：)理论意义：是分子运动研究的重要手段,三、粘弹性,5.1力学性能,？,DDV(动态黏弹谱仪）,塑料的力学表征？比较PE/PP/PS/PA66/PVC/环氧树脂的力学特征高分子材料增强、增韧的主要途径？,四、屈服、强度与断裂（玻璃、结晶态）,1、拉伸过程应力应变曲线（冷拉曲线）一定的温度、一定的拉伸速度下，观察应力随应变的变化曲线,2、力学强度3、与结构的关系4、增强与增韧,（5、其它力学性能）,5.1力学性能,高分子塑料与金属材料比较拉伸性能的特征规律有何不同，为什么？（银纹、断裂、屈服、应力增强问题）不同力学要求如何选材？如何增强？如何增韧？（如：对于PS，对于橡胶材料、PVC）,力学特征*：E-软硬A-弹性S-韧脆-延性SOA-回弹性强度（B、Y)-强弱,1）非晶：曲线分析：OA-普弹斜率EY：屈服：随应变增大，应力不变或下降力去除，形变不可恢复应变增大，应力增大应变硬化B:断裂脆性断裂：（BY）韧性断裂：,-小单元运动,1、拉伸过程(非晶、结晶高聚物）,5.1力学性能四屈服、强度与断裂,屈服过程：剪切形变（45。结构滑移）银纹化过程裂缝,B屈服:机理：,链段在力的强迫下运动（取向），因为T小于Tg，所以不能恢复,银纹化：力（环境）作用下，结构缺陷产生应力集中，出现发亮的条纹。运动单元高度取向（m不为零）,强迫高弹形变：在Tg以下，在高应力作用下发生的大形变，且不可恢复,银纹与裂缝的差异？,1、拉伸过程(非晶、结晶高聚物）,5.1力学性能四屈服、强度与断裂,C断裂:脆性断裂：没有屈服，断裂面光滑；韧性断裂：出现屈服后的断裂，断裂面粗糙。TMC）,2）F分越大，B、Y越大，减小，E增大-强而硬过大，脆性断裂,3)交联适度B增大，Y不变，减小，E增大，i增大-强而硬过度交联，B大幅度减小-脆,4）结晶Y越大随结晶度增大，B、E增大，-强而硬球晶大小、多少小而密强度、抗冲击好,5.1力学性能四屈服、强度与断裂,5.1力学性能四屈服、强度与断裂,3、强度与结构的关系,6)缺陷（裂纹、气泡、内应力、银纹等）应力集中，强度大幅度下降,7）增塑剂：分子间作用力下降例：PVC,5）取向：平行取向方向，强度大幅度增加。垂直取向方向，强度大幅度下降,5.1力学性能四屈服、强度与断裂,3、强度与结构的关系,4、增强与增韧,1）增强:A、结晶、取向、交联B、活性粉末增强，作用：吸附相当物理交联传递应力均匀分布载荷，一链断，其他链仍起作用。偶联剂使惰性粉末具有“活性”纳米粉末增强,5.1力学性能四屈服、强度与断裂,分子运动、聚集态结构、复合、合金化,C：纤维增强,4、增强与增韧,5.1力学性能四屈服、强度与断裂,纤维增强机理：,纤维模量大于基体，相同应变下，纤维承载大；抑制裂纹效应黏附作用，传递应力；短纤维起作用,5.1力学性能四屈服、强度与断裂,4、增强与增韧,增韧-S增大橡胶增韧共聚、共混例：HIPS,多重裂纹化理论剪切屈服理论剪切屈服的裂纹理论,5.1力学性能四屈服、强度与断裂,4、增强与增韧,纤维增韧（主要对于热固性树脂）,5.1力学性能四屈服、强度与断裂,4、增强与增韧,5、其它力学性能,1）疲劳:在周期性交变应力作用下，在低于静态强度的应力下断裂。,疲劳强度：a=u-klogN,热塑性：a=c金属：a=1/3u,疲劳极限（C）：aC时，N趋于，不断裂。一般用N107时，断的最大应力表示,5.1力学性能四屈服、强度与断裂,2）摩擦与磨损,A、摩擦特性：F=L-Amontons公式（粘合机理金属：接触面积与载荷成正比）高分子：接触面积与L2/3成正比=KLn-12/3n1,摩擦系数与载荷有关与滑动速度有关与温度有关与粘弹性密切相关表面张力越小，越小表面粗糙，在一定范围内使减小。,5