第六章 聚合物的力学性能

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1、第六章聚合物的力学性能对于大部分应用而言，力学性能比高聚物的其它物理性能显得更为重要。高聚物作为材料使用时，人们首先关心的是它们是否牢固、耐用。力学性能中有两种“性能”：一个是着重于物理特性的“基本性能”；另一个是着重于实际应用的“技术性能”。这两者之间并不矛盾。但为了弄清这两者之间的关系，首先有必要深入了解高聚物的基本力学性能，然后，再弄清工业测试中选择这种或那种方法的原因。§1聚合物力学行为的特点及其表征一．聚合物力学性能特点1.力学性能可变范围宽。橡胶—塑料—纤维，为不同的应用提供了广阔的选择余地。2.强度低、模量低。但由于其重量轻，故比强

2、度高（强度/密度）。3.力学性能与各种结构因素有关。除化学结构外，包括：分子量及其分布、支化和交联、结晶度和结晶形态、共聚方式、分子取向、增塑及填料等。从而也受加工条件及使用环境的影响。4.高弹性和粘弹性。高聚物极大的分子量以及分子链构象变化所导致的柔性，使高聚物具有独特的高弹性。5.对于高聚物来说，存在多种运动单元，尤其分子链由一种构象过渡到另一种构象所需时间很长。因为链段比小分子大得多，内摩擦力也大，具有明显的松弛特性。所以，其力学性能强烈地依赖于温度和受力时间。二、三种基本形变类型及其相互关系力学行为是指施加一个外力在材料上，它产生怎样的形

3、变（或称响应）。a)简单切变切应变r=tanθ,切应力σ=F/A,切变模量G=σ/r,切变柔量J＝1/G，当r→0,G→∞材料越硬。切变时，物体只改变形状，而不改变体积。聚合物各种运动单元对切变敏感，故它是一种重要的研究力学行为的形变类型。a)均匀压缩本体模量在流体静压力下，无论固体、流体或粘弹性，它们的力学行为都无甚差异，故在聚合物力学行为研究中一般不采用。b)简单拉伸拉伸应力（习用应力），习用应变（伸长率），对于较大的形变：或，（拉伸比）杨氏模量（虎克定律），柔量。泊松比（0.2~0.5）对于大多数高聚物，拉伸时体积改变相对于形变很小，可与切

4、变结果比较，实验较简单，是应用很广的形变类型。相互关系：（1）对各向同性的理想弹性材料，E,G,B,只有两个是独立的，即只需用两个参数就可描述这种材料。（2）单轴取向材料，需五个参数才能全面描述：，，及绕取向方向扭转的切变模量G。（3）双轴取向材料，需要九个参数才能全面描述。二、聚合物力学行为的表征理想弹性体应变与应力之间有严格的一一对应关系，与时间无关，力学响应是瞬时的。因此，弹性力学只考虑应力与应变的关系（聚合物在玻璃态时适用）。聚合物力学行为区别于其它材料最突出的一点，就是它的高弹性和粘弹性。因此，描述粘弹性高聚物材料的力学行为必须同时考虑

5、应力、应变、时间和温度四个参数。高聚物材料力学性能对时间和温度的强烈依赖性是研究其力学性能所要着重弄清的问题。也是对其测试和使用时必须十分注意的问题。静态力学性能：以一定速度缓慢作用时的力学特性。动态力学性能：在交变应变、应力作用下或冲击下的行为。研究高聚物的大形变行为：常用应力-应变实验（如拉伸实验），从而可获得反映破坏过程的各种力学量。表征参数：杨氏模量，屈服强度，抗拉强度和断裂伸长率等。若要表征材料抵抗冲击载荷破坏能力，用冲击强度。§2.聚合物的拉伸破坏行为为研究大形变区聚合物的力学性质，常测定应力-应变曲线，以观察高聚物拉伸的整个过程。一

6、、应力-应变曲线的类型1．综合曲线：在一段温度范围内才具有。粗看：整根曲线以屈服点Y为界分成两部分，Y（A）点前是弹性区域，Y点后是塑性行为。屈服点：曲线上第一次出现应变增加，而应力不增加，甚至开始下降的点。细看：Ⅰ-屈服前区：分子链之间存在着大量的物理交联点，需要很大的应力才能发生形变（链段被冻结，形变由键角、键长的变化所致）。Ⅱ-屈服区：应力达到相当大的数值，致使大分子链间旧有的物理交联点遭到破坏，从而表现出屈服。（外力作用降低了段运动活化能，使其开始运动）Ⅲ-延伸区：大分子链沿外力作用方向伸展（拉直），提供很大形变（高弹形变）。Ⅳ-增强区：

7、取向大分子间新的物理交联点逐步增加（分子间力），致使б升高，最后则是拉直的大分子再伸长，由共价键做出反应（分子间滑移不可能），故б升高。弹性形变-屈服-应变软化-冷拉-应变硬化-断裂2.实际聚合物材料，通常是综合曲线的一部分或其变异。若按拉伸过程中屈服点的表现，伸长率大小及其断裂情况，大致可以分成五种类型：(1)软而弱：E小，бB小，εB不大。如溶胀的凝胶(2)硬而脆：E大，εB小。如聚苯乙烯（PS），热固性酚醛塑料(RF)。(3)硬而强：E大，бB大，εB适当。如硬聚氯乙烯(PVC)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。(4)软而韧：E小，бB大，ε

8、B大。如：交联型天然橡胶（SNR）,顺丁橡胶(PB)。(5)硬而韧：E大，бB、бY大，εB大。如：双酚A型聚碳酸酯(PC)。聚对苯二甲