高分子材料的断裂与强度

1、高分子材料的断裂与强度,高分子材料是以聚合物为基本组分，大多情况下同时还含有各种添加剂的材料。如加入填料、增塑剂、稳定剂等，以期获得具有实用价值和经济价值的材料或改善其成型加工的性能。,概述,聚合物作为材料可因用途不同，有不同的性能要求，如力学性能、电学性能、光学性能，但对大多数高分子材料，力学性能是其最重要的性能。材料的力学性能是指外加作用力与形变及破坏的关系,主要内容,高分子材料的断裂,高分子材料的强度,一、高分子材料的断裂,高聚物的实际强度与其断裂行为的特征密切相关，从断裂的性质来分，高分子材料的宏观断裂分为脆性断裂和韧性断裂,所谓韧性断裂是在屈服点之后断裂，断裂面粗糙，消耗的断裂能很大

2、。,所谓脆性断裂是在屈服点之前断裂，断裂面光滑，消耗的断裂能不大,而材料的脆性断裂，在工程上必须尽量避免的。,（一）脆性断裂和韧性断裂,脆性断裂表面,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。,韧性断裂时，断裂面与主拉伸方向多成45度角，断裂表面粗糙，有明显的屈服（塑性变形、流动等）痕迹，形变不能立即恢复。,韧性断裂表面,（二）断裂的分子理论和断裂过程,断裂的分子理论,在外应力作用下材料发生形变后，会引起各种响应使分子链断裂，断裂的结果使应力重新分布：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，

3、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。待到裂缝扩展到整个试样就发生宏观破裂。,高分子材料断裂过程：,裂纹引发（成核）,裂纹扩展,断裂源首先在材料最薄弱处形成，一般是主裂纹通过单个银纹扩展； 随着裂纹扩展和应力水平提高，主裂纹不再是通过单个银纹扩展，而是通过多个银纹扩展，因而转入雾状区； 当裂纹扩展到临界长度时，断裂突然发生。,脆性断裂过程基本可分为三个阶段：,二、高分子材料的强度,强度是材料抵抗外力破坏的能力，高聚物之所以具有抵抗外力破坏的能力，主要靠分子内的化学键合力和分子间的范德华力和氢键。,影响高聚物实际强度的因素很多，总的来说可以分为两类：一是与材料本身

4、有关的，包括高分子的化学结构、分子量及其分布、支化和交联、结晶与取向等；另一类是与外界条件有关的，包括温度、应变速率、应力状态等。,（一）高聚物的基本结构参数对强度的影响,高聚物弹性模量依赖于结构因素，凡属分子量较大、柔顺性较小、极性较强、取向度较高、结晶度较高和交联密度较大的高聚物，弹性模量的数值均较大。高聚物的其他力学性能与弹性模量之间有相互对应的关系。弹性模量较大的聚合物，抗冲击强度就较小，但硬度、挠曲强度、抗压强度均较大。,抗冲击性是高聚物材料使用性能的重要方面，提高分子链的柔顺性可以改善高聚物的抗冲击性，冲击力是一种快速作用力，往往使分子链来不及做出构象调整，即链段材料来不及作松弛运

5、动以分散应力，从而出现脆性破坏，只有高聚物处于高弹态或分子链柔顺性大者，才具有较好的抗冲击性，通过使用增塑剂、增韧剂或共混改性可以改善高聚物的抗冲击性。,（1）高分子的化学结构,一般来说，分子链间的作用力小、取代基体积小、极性弱的大分子链其柔顺性较好，此类高聚物在较小外力下便产生高弹形变，因此较软，屈服强度低、弹性模量小、拉伸强度低、伸长率达；而增大高分子的极性或产生氢键可使强度提高，另外主链具有芳杂环结构的高聚物，其强度和模量都比脂肪族主链高。为了提高弹性模量和强度，可以在分子链中引入极性基团或环状结构。,注意：极性基团过密或取代基过大，僵硬性太大，会造成加工成型的困难，还会带来脆性，反而限

6、制了聚合物的使用范围。,（2）分子量及其分布,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。 在一定范围内，伸长或冲击强度随高聚物分子量的增大而增大。当分子量增大到某一范围以上，外力达到足以使大分子主链共价键断裂而仍足以使大分子滑动时，聚合物的破坏便发生于共价键上，拉伸强度便不再随分子量的增大而增大了，而冲击强度则继续增大。 分子量分布对机械强度也有影响，若分布很宽，低分子量的分子含量达10%15%，强度会明显下降，其原因是低分子量的分子起着内增塑作用，促使分子链之间易于发生滑动。,（3）支化和交联,分子链支化程度增加，使分子之间的距离增加，分子间的作用力减小，因

7、而高聚物的拉伸强度会降低，但冲击强度会提高，例如高压聚乙烯的拉伸强度比低压聚乙烯的低，而冲击强度反而比低压聚乙烯高。,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。 适度的交联可以有效地增加分子链间的联系，使分子链不易发生相对滑移。随着交联度的增加，往往不易发生大的形变，强度增高。但交联过程中往往会使高聚物结晶度下降，取向困难，因而过分的交联并不是有利的，如硫化胶的交联剂用量一般低于5%。,（4）结晶和取向,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。 一

8、般影响规律是： 1）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。这是由于结晶使分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用增强所致。 2）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、模量和韧性得到提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降。 3）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。,高聚物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。,对于脆性材料，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-韧转变，而在垂直于取向方向的强度和伸长率降低。 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。,取向,（二）外界条件对强度的影响,温度与形变速率,较大地增加形变速率或较大幅度地降温，链段在试验时间内将来不及再取向，从而导致断链和脆性断裂。,在高速应变或低温下，内部分子活动受阻，则高聚物呈现低的冲击强度和脆性断裂。,应力状态,