第十一章聚合物的力学性能

第十一章聚合物的力学性能,主要学习内容,高分子材料的拉伸应力-应变特性,应力应变曲线及其类型,影响拉伸行为的外部因素,强迫高弹形变与“冷拉伸”,高分子材料的断裂和强度,宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂,断裂过程，断裂的分子理论,高分子材料的强度,高分子材料的增强改性,高分子材料的抗冲击强度和增韧改性,抗冲击强度实验,影响抗冲击强度的因素,高分子材料的增韧改性,11.1应力应变曲线,(a),(b),测试拉伸性质的样品,11.1.1非晶态高聚物的应力-应变曲线,非晶态高聚物的应力-应变曲线,A弹性极限应变A弹性极限应力B断裂伸长率B断裂强度Y屈服应力,Ypoint:Yieldingpoint屈服点,Apoint:Pointofelasticlimit弹性极限点,应力-应变曲线,你能解释吗？,弹性形变,屈服,应变软化,冷拉,应变硬化,断裂,从分子运动机理解释形变过程,012345,121086420,1000psi,inch,1psi=6890Pa,注意细颈现象,非晶态聚合物典型应力-应变曲线,Stress,Strain,重要参数：,(1)杨氏模量,(6)断裂韧性,量纲=Pam/m=N/m2m/m=J/m3,以应力应变曲线测定的韧性,影响应力应变曲线的因素,(a)不同温度,a:TTg,c:TTg(几十度),d:T接近Tg,b:TTb,Tb越低材料韧性越,好,差,ExamplePC聚碳酸酯,Tg=150C,Tb=-20C,室温下易不易碎？,ExamplePMMA聚甲基丙烯酸甲酯,Tg=100C,Tb=90C,室温下脆还是韧？,TheinfluenceonTb,（1）增加应变速率，脆化温度如何变化？,（2）存在缺口，形成应力集中，趋向于脆性，脆化温度升高。,为什么材料的实际强度远远低于理论强度？,存在缺陷,为什么在缺陷处断裂？,缺陷处应力集中,缺陷处应力多大？,Griffiththeory,11.3.2断裂理论,无限大平板中椭圆形裂缝的应力集中,考察椭圆周围什么地方受力最大？,应力集中处（多大？）,公式表达,对圆形，a=b,对椭圆，a增加，b减小,剧烈,最终结果就是断裂,打破沙锅问到底,问=纹,讨论什么时候裂纹开始扩展,E-弹性储存能Gc-拉伸过程中材料所吸收的能量a-裂缝长度的一半,裂缝扩展的临界应力,Griffith从能量平衡的观点分析断裂过程，结果：,临界应力强度K1c和应力强度因子K1,CriticalstressintensityKIc,StressintensityfactorK1,E-弹性储存能；Gc-拉伸过程中材料所吸收的能量,为裂纹扩展阻力,为裂纹扩展动力,力越强，大；裂缝越长，a越大,练习,现有一块有机玻璃(PMMA)板，内有长度为10mm的中心裂纹，该板受到一个均匀的拉伸应力=450*106N/m2的作用力。已知该材料的临界应力强度因子KIc=84.7*106N/m2.m1/2,安全系数n=1.5,问板材结构是否安全？,a=10mm/2=5*10-3m,临界应力强度KIc,应力强度因子K1,裂纹稳定,11.4.1聚合物的拉伸强度,屈服强度,断裂强度,拉伸强度t,b-试样厚度，d-试样宽度P-最大载荷,1.拉伸强度,11.4聚合物的强度与韧性,拉伸模量,P：形变较小时的载荷l0：试样长度,弯曲强度,弯曲模量,：挠度，试样着力处的位移,2.影响拉伸强度的因素,化学键拉断,分子间滑脱,分子间扯离,主要方式,化学键断裂所需力最大,分子间扯离所需力最小,通过断裂形式分析：分子之间相互作用大小对强度影响最大,A考虑分子结构因素,极性基团或氢键,主链上含芳杂环结构,适度的交联,结晶度大,取向好,高,低,拉伸强度t,高,低,加入增塑剂,高,低,高,低,高,低,高,低,缺陷存在,高,低,B考虑外界因素,温度高,应变速率大,高,低,高,低,拉伸强度t,11.4.2增强Reinforcement,活性粒子（Powder）纤维Fiber液晶LiquidCrystal,Filler填料,增强途径,（1）活性粒子增强,Carbonblackreinforcement橡胶+碳黑,增强机理：活性粒子吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子起物理交联点的作用。,惰性填料？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉,（2）纤维增强,Glasssteelboatglassyfiber+polyester,增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷,例：尼龙+玻纤/碳纤维/晶须/硼纤维增强效果与纤维的长度、纤维与聚合物之间的界面粘接力有关,（3）液晶原位增强,增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微纤结构而到增强作用。由于微纤结构是加工过程中由液晶棒状分子在共混物基体中就地形成的，故称做“原位”复合增强。,热致液晶+热塑性聚合物共聚酯，聚芳酯,11.5聚合物的韧性与增韧,11.5.1冲击强度Impactstrength,是衡量材料韧性的一种指标,冲断试样所消耗的功,冲断试样的厚度和宽度,增韧剂：elasticizer,plasticizer,softener,冲击强度测试可分为两类，摆锤式和落重式摆锤冲击包括Izod（悬臂梁）式和Charpy（简支梁）式,Pendulummachine摆锤冲击机,Charpy简支梁Izod悬臂梁,脆性断裂和韧性断裂表面,脆性试样断裂表面的照片韧性试样断裂表面的照片,脆性试样断裂表面的电镜照片韧性试样断裂表面的电镜照片,11.5.2影响冲击强度的因素,韧性好坏顺序,abcd,cdba,dcba,曲线下的面积代表所吸收能量,因素,强度延展性,请判断,Discussion,强度延展性,分子间作用力分子链柔顺性,极性基团或氢键,有支链结构,适度交联,结晶度大,双轴取向,好,差,好,差,加入增塑剂,好,差,好,差,好,差,好,差,韧性,外界因素,温度高,应变速率大,好,差,好,差,冲击强度i即韧性,11.5.3聚合物的增韧,(1)橡胶增韧塑料,橡胶增韧塑料,e.gPVCCPE，PPEPDM,增韧效果取决于分散相相畴大小和界面粘接力,即两者相容性,橡胶增韧塑料的增韧机理,银纹机理：橡胶粒子作为应力集中物诱发基体产生银纹而吸收能量。（一般脆性聚合物增韧为此机理，如：PS/SBS，PMMA/ACR）,银纹剪切带机理：橡胶粒子作为应力集中物,在外力作用下诱发大量银纹和剪切带,吸收能量。橡胶粒子和剪切带控制和终止银纹。,三轴应力空化机理:基体与分散相界面呈现脱离状态,在外力作用下发生三轴应力致使分散相粒子周围空化而吸收能量。,橡胶粒子引发银纹示意图,ABS中两相结构示意图其中白粒子为橡胶相,应力作用下橡胶粒子变形，造成应力集中，引发银纹,ABS中橡胶粒子引发银纹的电镜照片其中黑粒子为橡胶相,PVC/ABS共混物中ABS粒子引发PVC基体产生银纹的电镜照片，ABS粒子中黑相为橡胶相,高抗冲PS共聚物中橡胶粒子引发PS基体产生银纹的电镜照片,剪切屈服带,剪切屈服带是材料内部具有高度剪切应变的薄层，是在应力作用下材料局部产生应变软化形成的。剪切带通常发生在缺陷、裂缝或由应力集中引起的应力不均匀区内，在最大剪应力平面上由于应变软化引起分子链滑动形成。,聚对苯二甲酸乙二酯中的剪切屈服带,裂纹尖端分子链绷紧、化学键断裂,聚合物基体发生局部塑性形变（屈服）的基本形式,小范围塑化流动区单个银纹,大范围塑化流动区多个银纹剪切屈服带,大范围塑化流动区大量银纹大范围剪切屈服带,试样宏观变化,（2）刚性粒子增韧,刚性有机粒子增韧：拉伸时，由于基体与分散相之间的模量和泊松比差别致使基体对刚性粒子产生赤道面上的强压力而发生脆韧转变，刚性粒子发生“冷流”而吸收能量。e.gPC/MBS,刚性无机粒子增韧:刚性粒子促使基体在断裂过程中产生塑性变形吸收能量.e.gPVC+CaCO3,刚性粒子增韧的条件是:基体必须具有一定韧性。,11.6疲劳,疲劳：是材料或构件在周期应力作用下断裂或失效的现象。其型的疲劳曲线SN曲线：S是max，N是材料破坏时的应力循环次数（疲劳寿命）,总结,掌握