7断裂和力学性能2

1、第七章第七章 高聚物的断裂和力学强度高聚物的断裂和力学强度 Chapt.7 The Failure and Strength of Solid Polymers 计划学时：计划学时：8-10学时学时主要参考书：主要参考书：金日光主编：高分子物理金日光主编：高分子物理Brostow: Failure of PlasticsG.H.Michler: Kunststoff-Mikromechanik第二部分第二部分 Part 2二、高分子材料的断裂和强度二、高分子材料的断裂和强度（一）（一） 宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂 从材料的承载方式来分，高分子材料的宏观破坏

2、可分为快速从材料的承载方式来分，高分子材料的宏观破坏可分为快速断裂、蠕变断裂（静态疲劳）、疲劳断裂（动态疲劳）、磨损断裂、蠕变断裂（静态疲劳）、疲劳断裂（动态疲劳）、磨损断裂及环境应力开裂等多种形式。断裂及环境应力开裂等多种形式。 从断裂的性质来分，高分子材料的宏观断裂可分为脆性断裂从断裂的性质来分，高分子材料的宏观断裂可分为脆性断裂和韧性断裂两大类。和韧性断裂两大类。 发生脆性断裂时，断裂表面较光滑或略有粗糙，断裂面垂直发生脆性断裂时，断裂表面较光滑或略有粗糙，断裂面垂直于主拉伸方向，试样断裂后，残余形变很小。于主拉伸方向，试样断裂后，残余形变很小。 韧性断裂时，断裂面与主拉伸方向多成韧性断

3、裂时，断裂面与主拉伸方向多成45度角，断裂表面粗度角，断裂表面粗糙，有明显的屈服（塑性变形、流动等）痕迹，形变不能立即糙，有明显的屈服（塑性变形、流动等）痕迹，形变不能立即恢复。恢复。 脆性断裂和韧性断裂表面脆性断裂和韧性断裂表面 图图7-11 PS7-11 PS试样脆性断裂表面的电镜照片试样脆性断裂表面的电镜照片 图图7-12 7-12 增韧改性增韧改性PVCPVC韧性断裂韧性断裂表面的电镜照片表面的电镜照片 图图7-13 拉伸试样内斜拉伸试样内斜截面上的应力分布截面上的应力分布条形试样中的应力分析条形试样中的应力分析 设试样横截面积为设试样横截面积为 A0 ，作用于其上的拉力为，作用于其上

4、的拉力为F，可以求得在，可以求得在试样内部任一斜截面试样内部任一斜截面 上的法向应力上的法向应力 和切向应力和切向应力 : : Ant20200coscoscos/cos/AFAFAFnn2sin21cossincos/sin/000AFAFAFtt（7-5）（7-6） sincosFFFFtncos/0AA 注意注意 在不同角度的斜截面在不同角度的斜截面 上，法向应力上，法向应力 和切向应力和切向应力 值不同。由公式（值不同。由公式（7-5，7 7-6）得知，在斜角）得知，在斜角= 0 的截面上的截面上（横截面），法向应力的值最大；在（横截面），法向应力的值最大；在= 45 的截面上，切向的

5、截面上，切向应力值最大。应力值最大。 Ant图图7-14 法向应力与切向法向应力与切向应力随角度的变化应力随角度的变化 本质上，法向应力本质上，法向应力 与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉伸能力极限值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材伸能力极限值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材料在料在 作用下发生破坏时，往往伴随主链的断裂。作用下发生破坏时，往往伴随主链的断裂。ttnn 切向应力切向应力 与材料的抗剪切能力相关，极限值主要取决与材料的抗剪切能力相关，极限值主要取决于分子间内聚力。材料在于分子间内聚力。材料在 作用下发生屈服时，往往发生作用下发生屈服时，往

6、往发生分子链的相对滑移（图分子链的相对滑移（图7-15）。）。图图7-15 垂直应力下的分子链断裂（垂直应力下的分子链断裂（a）和剪切应力下的分子链滑移（和剪切应力下的分子链滑移（b） 在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力变化十在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力变化十分复杂，断裂和屈服都有可能发生，处于相互竞争状态。分复杂，断裂和屈服都有可能发生，处于相互竞争状态。 已知不同的高分子材料本征地具有不同的抗拉伸和抗已知不同的高分子材料本征地具有不同的抗拉伸和抗剪切能力。定义材料的最大抗拉伸能力为临界抗拉伸强剪切能力。定义材料的最大抗拉伸能力为临界抗拉伸强度度 ；最大抗剪切能力为临界抗剪

7、切强度；最大抗剪切能力为临界抗剪切强度 。nctc 若材料的若材料的 ，则在外应力作用下，往往材料的抗，则在外应力作用下，往往材料的抗拉伸能力首先支持不住，而抗剪切能力尚能坚持，此时材料拉伸能力首先支持不住，而抗剪切能力尚能坚持，此时材料破坏主要表现为以主链断裂为特征的脆性断裂，断面垂直于破坏主要表现为以主链断裂为特征的脆性断裂，断面垂直于拉伸方向（拉伸方向（= 0= 0），断面光滑。），断面光滑。 nctc 若材料的若材料的 ，应力作用下材料的抗剪切能力首先，应力作用下材料的抗剪切能力首先破坏，抗拉伸能力尚能坚持，则往往首先发生屈服，分子链破坏，抗拉伸能力尚能坚持，则往往首先发生屈服，分子链

8、段相对滑移，沿剪切方向取向，继之发生的断裂为韧性断裂，段相对滑移，沿剪切方向取向，继之发生的断裂为韧性断裂，断面粗糙，通常与拉伸方向的夹角断面粗糙，通常与拉伸方向的夹角= 45= 45。 tcnc两种情形两种情形 表表7-1 几种典型高分子材料在室温下几种典型高分子材料在室温下 、 的值的值 (T=23)nctcnctc聚合物聚合物 / MPa / MPaPSSANPMMAPVCPCPESPEEK40567467878012048734939405662 可以根据材料的本征强度对材料的脆、韧性规定一个判据：可以根据材料的本征强度对材料的脆、韧性规定一个判据： 凡凡 的，发生破坏时首先为脆性断裂

9、的材料的，发生破坏时首先为脆性断裂的材料为脆性材料；为脆性材料； 凡凡 的，容易发生韧性屈服的材料为韧性材的，容易发生韧性屈服的材料为韧性材料。料。 nctctcnc（二）（二） 断裂过程，断裂的分子理论断裂过程，断裂的分子理论高分子材料断裂过程：高分子材料断裂过程： 裂纹引发（成核）裂纹引发（成核） 裂纹扩展裂纹扩展 在外应力作用下材料发生形变后，微观分子链范围内会引起在外应力作用下材料发生形变后，微观分子链范围内会引起各种响应。这些响应包括：各种响应。这些响应包括： 无规线团分子链沿应力方向展开或取向；无规线团分子链沿应力方向展开或取向； 半伸展分子链完全伸直，并承受弹性应力；半伸展分子链

10、完全伸直，并承受弹性应力； 分子间次价键断裂，造成局部分子链段滑移或流动等。分子间次价键断裂，造成局部分子链段滑移或流动等。 由于材料内部存在微晶，或化学交联，或物理缠结等制约由于材料内部存在微晶，或化学交联，或物理缠结等制约结构，有些分子链运动受阻，从而使个别分子链段处于高应结构，有些分子链运动受阻，从而使个别分子链段处于高应力状态。这些处于高度伸直状态的分子链在应力涨落和热运力状态。这些处于高度伸直状态的分子链在应力涨落和热运动涨落综合作用下，会首先发生断裂。动涨落综合作用下，会首先发生断裂。图图7-16 Zhurkov7-16 Zhurkov提出的力化学反应模型提出的力化学反应模型1 1

11、，某分子链处于高应力状态，某分子链处于高应力状态2，链断裂，形成链端自由基，链断裂，形成链端自由基3，自由基反应，形成主链自由基，自由基反应，形成主链自由基4，带自由基的主链断裂，继续反应，带自由基的主链断裂，继续反应5，多次重复，形成一个亚微观裂纹，多次重复，形成一个亚微观裂纹链端自由基；链端自由基；主链自由基；主链自由基；稳定的端基稳定的端基 主链断裂的结果使应力重新分布，有两种可能：主链断裂的结果使应力重新分布，有两种可能： 一种可能使应力分布趋于均匀，断裂过程结束；一种可能使应力分布趋于均匀，断裂过程结束； 另一种可能使应力分布更加不均匀，分子链断裂过程加速，另一种可能使应力分布更加不

12、均匀，分子链断裂过程加速，发展成微裂纹（微空穴）。发展成微裂纹（微空穴）。 继续承受应力，微空穴合并，发展成大裂缝或缺陷。继续承受应力，微空穴合并，发展成大裂缝或缺陷。 待到裂缝扩展到整个试样就发生宏观破裂。待到裂缝扩展到整个试样就发生宏观破裂。 由此可见在断裂的全过程中（包括裂纹引发和裂纹扩展），由此可见在断裂的全过程中（包括裂纹引发和裂纹扩展），分子链的断裂都起关键作用。分子链的断裂都起关键作用。 断裂的分子理论认为，材料宏观断裂过程可看成微观上原断裂的分子理论认为，材料宏观断裂过程可看成微观上原子键断裂的热活化过程，这个过程与时间有关。子键断裂的热活化过程，这个过程与时间有关。 断裂的分

13、子理论断裂的分子理论设材料从完好状态到断裂所需的时间为材料的承载寿设材料从完好状态到断裂所需的时间为材料的承载寿命命 ，承载寿命越长，材料越不易断裂。在拉伸应力，承载寿命越长，材料越不易断裂。在拉伸应力 作用作用下，材料寿命与所加应力有如下关系：下，材料寿命与所加应力有如下关系：RTUexp0式中式中 为材料常数，为材料常数， 为断裂过程摩尔活化能，为断裂过程摩尔活化能， 称摩尔活化称摩尔活化体积，与聚合物分子链结构和分子间作用力有关。由式可见，体积，与聚合物分子链结构和分子间作用力有关。由式可见，外力外力 降低了活化势垒，使材料承载寿命降低，加速了材料降低了活化势垒，使材料承载寿命降低，加速

14、了材料的破坏。温度升高，材料寿命也降低，强度下降。的破坏。温度升高，材料寿命也降低，强度下降。 0U 将上式取对数将上式取对数RTUCln 依据上式可求出材料断裂活化能依据上式可求出材料断裂活化能 。对一些聚合物的研究结。对一些聚合物的研究结果表明，由此法求得的果表明，由此法求得的 与这些聚合物的热分解活化能与这些聚合物的热分解活化能 非非常接近，证实了聚合物材料的断裂是发生在化学键上。常接近，证实了聚合物材料的断裂是发生在化学键上。 UUU（7-7）（7-8）（三）（三） 高分子材料的强度高分子材料的强度1、理论强度和实际强度、理论强度和实际强度 对碳链聚合物，已知对碳链聚合物，已知CC键能

15、约为键能约为335378kJmol-1，相当于每键的键能为相当于每键的键能为56 1019J。这些能量可近似看作为克。这些能量可近似看作为克服成键的原子引力服成键的原子引力 ，将两个，将两个C原子分离到键长的距离原子分离到键长的距离 所做所做的功的功 。CC键长键长 ，由此算出一个共价键力，由此算出一个共价键力 为为 fdWnmd154. 0fNdWf91043（7-9） 由由X射线衍射实验测材料的晶胞参数，可求得大分子链横截射线衍射实验测材料的晶胞参数，可求得大分子链横截面积。如求得聚乙烯分子链横截面为面积。如求得聚乙烯分子链横截面为 ，由此，由此得到高分子材料的理论强度为：得到高分子材料的

16、理论强度为： 22001020mSMPatheo4.102 理论强度是人们从化学结构可能期望的材料极限强度，由于理论强度是人们从化学结构可能期望的材料极限强度，由于高分子材料的破坏是由化学键断裂引起的，因此可从拉断化学高分子材料的破坏是由化学键断裂引起的，因此可从拉断化学键所需作的功计算其理论强度。键所需作的功计算其理论强度。 实验观察到在玻璃态聚合物中存在大量尺寸在实验观察到在玻璃态聚合物中存在大量尺寸在100nm的孔的孔穴，聚合物生产和加工过程中又难免引入许多杂质和缺陷。穴，聚合物生产和加工过程中又难免引入许多杂质和缺陷。在材料使用过程中，由于孔穴的应力集中效应，有可能使孔在材料使用过程中

17、，由于孔穴的应力集中效应，有可能使孔穴附近分子链承受的应力超过实际材料所受的平均应力几十穴附近分子链承受的应力超过实际材料所受的平均应力几十倍或几百倍，以至达到材料的理论强度，使材料在这些区域倍或几百倍，以至达到材料的理论强度，使材料在这些区域首先破坏，继而扩展到材料整体。首先破坏，继而扩展到材料整体。 实际上高分子材料的强度比理论强度小得多，仅为几个到实际上高分子材料的强度比理论强度小得多，仅为几个到几十个几十个MPa。 为什么实际强度与理论强度差别如此之大？为什么实际强度与理论强度差别如此之大？ 研究表明，材料内部微观结构的不均匀和缺陷是导致强度研究表明，材料内部微观结构的不均匀和缺陷是导

18、致强度下降的主要原因。实际高分子材料中总是存在这样那样的缺下降的主要原因。实际高分子材料中总是存在这样那样的缺陷，如表面划痕、杂质、微孔、晶界及微裂缝等，这些缺陷陷，如表面划痕、杂质、微孔、晶界及微裂缝等，这些缺陷尺寸很小但危害很大。尺寸很小但危害很大。链末端链末端 链缠结链缠结 图图7-17 7-17 可能导致聚合物强度下降的微观结构细节示意图可能导致聚合物强度下降的微观结构细节示意图次价键次价键 交联点交联点 片晶内缺陷片晶内缺陷分离的异物分离的异物 微空洞微空洞 填料粒子填料粒子（相容性差）（相容性差） 结晶区域结晶区域 层间区层间区（无定型区）（无定型区）微区微区边界边界2、影响断裂强

19、度的因素、影响断裂强度的因素（1）分子量的影响）分子量的影响 分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）起决定性作用的结构参数。起决定性作用的结构参数。 低分子有机化合物一般没有力学强度（多为液体），高分低分子有机化合物一般没有力学强度（多为液体），高分子材料要获得强度，必须具有一定聚合度，使分子间作用力子材料要获得强度，必须具有一定聚合度，使分子间作用力足够大才行。足够大才行。 不同聚合物，要求的最小聚合度不同。不同聚合物，要求的最小聚合度不同。 如分子间有氢键作用的聚酰胺类约为如分子间有氢键作用的聚酰胺类约为40个链节；聚苯乙烯

20、个链节；聚苯乙烯约约80个链节。个链节。 超过最小聚合度，随分子量超过最小聚合度，随分子量增大，材料强度逐步增大。但增大，材料强度逐步增大。但当分子量相当大，致使分子间当分子量相当大，致使分子间作用力的总和超过了化学键能作用力的总和超过了化学键能时，材料强度主要取决于化学时，材料强度主要取决于化学键能的大小，这时材料强度不键能的大小，这时材料强度不再依赖分子量而变化（图再依赖分子量而变化（图7-18）。）。图图7-18 聚苯乙烯和聚碳酸酯的拉聚苯乙烯和聚碳酸酯的拉伸强度与分子量的关系伸强度与分子量的关系 另外，分子量分布对材料另外，分子量分布对材料强度的影响不大。强度的影响不大。（2）结晶的影

21、响）结晶的影响表表7-2 聚乙烯的断裂性能与结晶度的关系聚乙烯的断裂性能与结晶度的关系MPa结晶度结晶度 / 65758595断裂强度断裂强度 /14.4182540断裂伸长率断裂伸长率 / 50030010020 结晶对高分子材料力学性能的影响也十分显著，主要影响因结晶对高分子材料力学性能的影响也十分显著，主要影响因素有结晶度、晶粒尺寸和晶体结构。素有结晶度、晶粒尺寸和晶体结构。 一般影响规律是：一般影响规律是： 1 1）随着结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹）随着结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹性模量均提高，但断裂伸长率和韧性下降。这是由于结晶使分性模量均提高，但

22、断裂伸长率和韧性下降。这是由于结晶使分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用增强所致。子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用增强所致。 3 3）晶体形态对聚合物拉伸强度的影响规律是，同一聚合物，）晶体形态对聚合物拉伸强度的影响规律是，同一聚合物，伸直链晶体的拉伸强度最大，串晶次之，球晶最小。伸直链晶体的拉伸强度最大，串晶次之，球晶最小。 2 2）晶粒尺寸和晶体结构对材料强度的影响更大。）晶粒尺寸和晶体结构对材料强度的影响更大。 均匀小球晶能使材料的强度、伸长率、模量和韧性得到均匀小球晶能使材料的强度、伸长率、模量和韧性得到提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降。提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下

23、降。 大量的均匀小球晶分布在材料内，起到类似交联点作用，大量的均匀小球晶分布在材料内，起到类似交联点作用，使材料应力使材料应力-应变曲线由软而弱型转为软而韧型，甚至转为有应变曲线由软而弱型转为软而韧型，甚至转为有屈服的硬而韧型（图屈服的硬而韧型（图7-197-19）。）。 因此改变结晶历史，如采用淬火，或添加成核剂，如在聚因此改变结晶历史，如采用淬火，或添加成核剂，如在聚丙烯中添加草酸酞作为晶种，都有利于均匀小球晶生成，从丙烯中添加草酸酞作为晶种，都有利于均匀小球晶生成，从而可以提高材料强度和韧性。而可以提高材料强度和韧性。影响规律影响规律图图7-19 聚丙烯应力聚丙烯应力-应变应变曲线与球晶

24、尺寸的关系曲线与球晶尺寸的关系表表7-3 聚丙烯拉伸性能与球晶尺寸的关系聚丙烯拉伸性能与球晶尺寸的关系m球晶尺寸球晶尺寸 /拉伸强度拉伸强度 / MPa断裂伸长率断裂伸长率 / 1030.050010022.52520012.525（3）交联的影响）交联的影响 随交联程度提高，橡胶材料的随交联程度提高，橡胶材料的拉伸模量和强度都大大提高，达拉伸模量和强度都大大提高，达到极值强度后，又趋于下降；断到极值强度后，又趋于下降；断裂伸长率则连续下降（图裂伸长率则连续下降（图7-20）。）。 热固性树脂，由于分子量很低，热固性树脂，由于分子量很低，如果不进行交联，几乎没有强度如果不进行交联，几乎没有强度

25、（液态）。固化以后，分子间形（液态）。固化以后，分子间形成密集的化学交联，使断裂强度成密集的化学交联，使断裂强度大幅度提高。大幅度提高。 交联一方面可以提高材料的抗蠕变能力，另一方面也能提交联一方面可以提高材料的抗蠕变能力，另一方面也能提高断裂强度。一般认为，对于玻璃态聚合物，交联对脆性强高断裂强度。一般认为，对于玻璃态聚合物，交联对脆性强度的影响不大；但对高弹态材料的强度影响很大。度的影响不大；但对高弹态材料的强度影响很大。图图7-20 橡胶的拉伸强度与交联剂用橡胶的拉伸强度与交联剂用量的关系量的关系（4）取向的影响）取向的影响 对于脆性材料，取向使材料在平行于取向方向的强度、模对于脆性材料

26、，取向使材料在平行于取向方向的强度、模量和伸长率提高，甚至出现脆量和伸长率提高，甚至出现脆-韧转变，而在垂直于取向方向韧转变，而在垂直于取向方向的强度和伸长率降低。的强度和伸长率降低。 加工过程中分子链沿一定方向取向，使材料力学性能产生加工过程中分子链沿一定方向取向，使材料力学性能产生各向异性，在取向方向得到增强。各向异性，在取向方向得到增强。 对于延性、易结晶材料，在平行于取向方向的强度、模对于延性、易结晶材料，在平行于取向方向的强度、模量提高，在垂直于取向方向的强度下降，伸长率增大。量提高，在垂直于取向方向的强度下降，伸长率增大。（5）温度与形变速率的影响）温度与形变速率的影响 具体影响效

27、果见图具体影响效果见图7-5、7-6。由图可见，温度对断裂。由图可见，温度对断裂强度影响较小，而对屈服强度影响较大，温度升高，材强度影响较小，而对屈服强度影响较大，温度升高，材料屈服强度明显降低。按照时料屈服强度明显降低。按照时-温等效原则，形变速率对温等效原则，形变速率对材料屈服强度的影响也较明显。拉伸速率提高，屈服强材料屈服强度的影响也较明显。拉伸速率提高，屈服强度上升。当屈服强度大到超过断裂强度时，材料受力后，度上升。当屈服强度大到超过断裂强度时，材料受力后，尚未屈服已先行断裂，呈现脆性断裂特征。尚未屈服已先行断裂，呈现脆性断裂特征。 因此评价高分子材料的脆、韧性质是有条件的，一个原本因

28、此评价高分子材料的脆、韧性质是有条件的，一个原本在高温下、低拉伸速率时的韧性材料，处于低温或用高速率在高温下、低拉伸速率时的韧性材料，处于低温或用高速率拉伸时，会呈现脆性破坏。所以就材料增韧改性而言，提高拉伸时，会呈现脆性破坏。所以就材料增韧改性而言，提高材料的低温韧性是十分重要的。材料的低温韧性是十分重要的。（四）（四） 高分子材料的增强改性高分子材料的增强改性 除增强材料本身应具有较高力学强度外，增强材料的均匀除增强材料本身应具有较高力学强度外，增强材料的均匀分散、取向以及增强材料与聚合物基体的良好界面亲和也是分散、取向以及增强材料与聚合物基体的良好界面亲和也是提高增强改性效果的重要措施。

29、提高增强改性效果的重要措施。 由于高分子材料的实际力学强度、模量比金属、陶瓷低由于高分子材料的实际力学强度、模量比金属、陶瓷低得多，应用受到限制，因而高分子材料的增强改性十分重得多，应用受到限制，因而高分子材料的增强改性十分重要。要。 改性的基本思想是用填充、混合、复合等方法，将增改性的基本思想是用填充、混合、复合等方法，将增强材料加入到聚合物基体中，提高材料的力学强度或其强材料加入到聚合物基体中，提高材料的力学强度或其它性能。它性能。 常用的增强材料有粉状填料（零维材料），纤维（一维常用的增强材料有粉状填料（零维材料），纤维（一维材料），片状填料（二维材料）等。材料），片状填料（二维材料）等

30、。1、粉状填料增强、粉状填料增强 由于在高分子材料中加入填料等于加入杂质和缺陷，由于在高分子材料中加入填料等于加入杂质和缺陷，有引发裂纹和加速破坏的副作用，因此对填料表面进行有引发裂纹和加速破坏的副作用，因此对填料表面进行恰当处理，加强它与高分子基体的亲合性，同时防止填恰当处理，加强它与高分子基体的亲合性，同时防止填料结团，促进填料均匀分散，始终是粉状填料增强改性料结团，促进填料均匀分散，始终是粉状填料增强改性中人们关心的焦点。这些除与填料本身性质有关外，改中人们关心的焦点。这些除与填料本身性质有关外，改性工艺、条件、设备等也都起重要作用。性工艺、条件、设备等也都起重要作用。 按性能分粉状填料

31、可分为活性填料和惰性填料两类；按性能分粉状填料可分为活性填料和惰性填料两类；按尺寸分有微米级填料、纳米级填料等。按尺寸分有微米级填料、纳米级填料等。 粉状填料的增强效果主要取决于填料的种类、尺寸、粉状填料的增强效果主要取决于填料的种类、尺寸、用量、表面性质以及填料在高分子基材中的分散状况。用量、表面性质以及填料在高分子基材中的分散状况。 炭黑增强橡胶是最突出的粉状填料增强聚合物材料的例炭黑增强橡胶是最突出的粉状填料增强聚合物材料的例子。炭黑是典型活性填料，尺寸在亚微米级，增强效果十子。炭黑是典型活性填料，尺寸在亚微米级，增强效果十分显著。表分显著。表7-4列出几种橡胶用炭黑或白炭黑（二氧化硅）

32、列出几种橡胶用炭黑或白炭黑（二氧化硅）增强改性的效果。可以看出，尤其对非结晶性的丁苯橡胶增强改性的效果。可以看出，尤其对非结晶性的丁苯橡胶和丁腈橡胶，经炭黑增强后拉伸强度提高和丁腈橡胶，经炭黑增强后拉伸强度提高10倍之多，否倍之多，否则这些橡胶没有多大实用价值。则这些橡胶没有多大实用价值。表表7-4 几种橡胶采用炭黑增强的效果对比几种橡胶采用炭黑增强的效果对比橡胶橡胶拉伸强度拉伸强度 / MPa增强倍数增强倍数纯胶纯胶含炭黑橡胶含炭黑橡胶非结晶型非结晶型硅橡胶硅橡胶0.3413.740丁苯橡胶丁苯橡胶1.9619.010丁腈橡胶丁腈橡胶1.9619.610结晶型结晶型天然橡胶天然橡胶19.03

33、1.41.6氯丁橡胶氯丁橡胶14.725.01.7丁基橡胶丁基橡胶17.618.61.1 白炭黑补强白炭黑补强 吸附有多条大分子链的炭吸附有多条大分子链的炭黑粒子具有均匀分布应力的黑粒子具有均匀分布应力的作用，当其中某一条大分子作用，当其中某一条大分子链受到应力时，可通过炭黑链受到应力时，可通过炭黑粒子将应力传递到其他分子粒子将应力传递到其他分子链上，使应力分散。而且即链上，使应力分散。而且即便发生某一处网链断裂，由便发生某一处网链断裂，由于炭黑粒子的于炭黑粒子的“类交联类交联”作作用，其他分子链仍能承受应用，其他分子链仍能承受应力，不致迅速危及整体，降力，不致迅速危及整体，降低发生断裂的可能

34、性而起增低发生断裂的可能性而起增强作用。强作用。 活性填料的增强效果主要来自其表面活性。炭黑粒子表面活性填料的增强效果主要来自其表面活性。炭黑粒子表面带有好几种活性基团（羧基、酚基、醌基等），这些活性基带有好几种活性基团（羧基、酚基、醌基等），这些活性基团与橡胶大分子链接触，会发生物理的或化学的吸附。团与橡胶大分子链接触，会发生物理的或化学的吸附。图图7-21 化学交联与物理交联示意图化学交联与物理交联示意图 上图：化学交联上图：化学交联 下图：物理吸附下图：物理吸附 碳酸钙、滑石粉、陶土以碳酸钙、滑石粉、陶土以及各种金属或金属氧化物粉及各种金属或金属氧化物粉末属于惰性填料。末属于惰性填料。

35、对于惰性填料，需要经过对于惰性填料，需要经过化学改性赋予粒子表面一定化学改性赋予粒子表面一定的活性，才具有增强作用。的活性，才具有增强作用。例如用表面活性物质如脂肪例如用表面活性物质如脂肪酸、树脂酸处理，或用钛酸酸、树脂酸处理，或用钛酸酯、硅烷等偶联剂处理，或酯、硅烷等偶联剂处理，或在填料粒子表面化学接枝大在填料粒子表面化学接枝大分子等都有很好的效果。分子等都有很好的效果。图图7-22 粉状填料经硬脂酸处理填充粉状填料经硬脂酸处理填充HDPE的的SEM图图 上图：硬脂酸用量上图：硬脂酸用量0.9% 下图：下图：1.5% 惰性填料除增强作用外，还能赋予高分子材料其他特殊惰性填料除增强作用外，还能

36、赋予高分子材料其他特殊性能和功能，如导电性、润滑性、高刚性、气隔性等，提性能和功能，如导电性、润滑性、高刚性、气隔性等，提高材料的性高材料的性/价比。价比。图图7-23 高领土填充高领土填充HDPE增强增强PE的阻隔性（的阻隔性（TEM图）图）2、纤维增强、纤维增强 纤维增强塑料是利用纤维的高强度、高模量、尺寸稳定性纤维增强塑料是利用纤维的高强度、高模量、尺寸稳定性和树脂的低密度、强韧性设计制备的一种复合材料。两者取和树脂的低密度、强韧性设计制备的一种复合材料。两者取长补短，复合的同时既克服了纤维的脆性，也提高了树脂基长补短，复合的同时既克服了纤维的脆性，也提高了树脂基体的强度、刚性、耐蠕变和

37、耐热性。体的强度、刚性、耐蠕变和耐热性。常用的纤维材料常用的纤维材料玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维硼纤维硼纤维天然纤维天然纤维基体材料基体材料热固性树脂热固性树脂热塑性树脂热塑性树脂橡胶类材料橡胶类材料用玻璃纤维或其他织物与环氧树脂、不饱和聚酯等复合用玻璃纤维或其他织物与环氧树脂、不饱和聚酯等复合制备的玻璃钢材料是一种力学性能很好的高强轻质材料，制备的玻璃钢材料是一种力学性能很好的高强轻质材料，其比强度、比模量不仅超过钢材，也超过其他许多材料，其比强度、比模量不仅超过钢材，也超过其他许多材料，成为航空航天技术中的重要材料。表成为航空航天技术中的重要材料。表7-5给出用玻璃纤维增给出用玻璃纤维增强

38、热塑性塑料的性能数据，可以看到，增强后复合材料的强热塑性塑料的性能数据，可以看到，增强后复合材料的性能均超过纯塑料性能，特别拉伸强度、弹性模量得到大性能均超过纯塑料性能，特别拉伸强度、弹性模量得到大幅度提高。幅度提高。 常用的纤维材料有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、天然纤常用的纤维材料有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、天然纤维等。基体材料有热固性树脂，如环氧树脂、不饱和聚酯维等。基体材料有热固性树脂，如环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂；也有热塑性树脂，如聚乙烯、聚苯乙烯、树脂、酚醛树脂；也有热塑性树脂，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。聚碳酸酯等。表表7-5 玻璃纤维增强的某些热塑性塑料的性能玻璃纤维增

39、强的某些热塑性塑料的性能Pa510Pa910材料材料拉伸强度拉伸强度/ 伸长率伸长率 /冲击强度冲击强度(缺口缺口)/ Jm-1弹性模量弹性模量/ 热变形温度热变形温度(1.86MPa)/ K聚乙烯聚乙烯 未增强未增强2256078.50.78321聚乙烯聚乙烯 增强增强7553.82366.19399聚苯乙烯聚苯乙烯 未增强未增强5792.015.72.75358聚苯乙烯聚苯乙烯 增强增强9601.11318.34377聚碳酸酯聚碳酸酯 未增强未增强618601666282.16405471聚碳酸酯聚碳酸酯 增强增强13701.719647011.7420422尼龙尼龙66 未增强未增强68

40、660542.75339359尼龙尼龙66 增强增强20602.21995.9812.55473聚甲醛聚甲醛 未增强未增强6866074.52.75383聚甲醛聚甲醛 增强增强8241.5425.59441 均含玻璃纤维均含玻璃纤维20-40%纤维增强的机理纤维增强的机理 纤维增强塑料的机理是依靠两者复合作用。纤维具有高纤维增强塑料的机理是依靠两者复合作用。纤维具有高强度可以承受高应力，树脂基体容易发生粘弹变形和塑性强度可以承受高应力，树脂基体容易发生粘弹变形和塑性流动，它们与纤维粘结在一起可以传递应力。图流动，它们与纤维粘结在一起可以传递应力。图7-24给出给出这种复合作用示意图。这种复合作用示意图。图图7-24 纤维增强塑料纤维增强塑料 的复合作用示意图的复合作用示意图 材料受力时，首先由纤维承受应力，个别纤维即使发生断材料受力时，首先由纤维承受应力，个别纤维即使发生断裂，由于树脂的粘结作用和塑性流动，断纤维被拉开的趋势裂，由于树脂的粘结作用和塑性流动，断纤维