高分子基础概论—北京化工大学—第五章

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1、第五章高聚物的力学性能力学性能是高聚物最宝贵的性能，是其作为材料应用的基础。力学性能是指高聚物在外力作用下抵抗形变、流动、破坏的能力。第五章高聚物的力学性能概述高聚物的高弹性高聚物的粘弹性高聚物的极限力学行为1描述材料力学性能的基本物理量：应变(strain)：几何形状和尺寸发生的变化应力(stress)：单位面积上的附加内力，单位N/m2或Pa弹性模量(modulus)：发生单位应变时的应力，表征材料抵抗变形能力的大小§5.1概述a）简单拉伸形变的基本类型：材料受到与截面相垂直的大小相等方向相反作用在同一

2、直线上的外力作用时，材料发生的形变称为简单拉伸形变工程应力b）简单剪切材料受到与截面相平行的大小相等方向相反的外力作用时，发生的形变称为简单剪切形变。c）均匀压缩K－本体模量三种模量的关系对于各向同性的材料有E=2G(1+γ)=3K(1-2γ)γ(泊松比):横向形变与纵向形变之比一般材料γ约为0.2~0.5注意!上述四个参数中只有两个是独立的2基本概念弹性：材料在变形后部分或全部恢复到初始尺寸和形状的能力。塑性：材料受力变形后保持变形以后的形状和尺寸的能力。延展性：材料受到拉伸或压延而未受到破坏的延伸性。韧

3、性：材料通过弹性变形或塑性变形吸收机械能而不发生破坏的能力。脆性：材料吸收机械能时易发生断裂的性质。§5.2高聚物的高弹性高弹性：小的应力作用下可发生很大的可逆形变的性能，－高聚物特有的力学特征。是否所有的高聚物都具有高弹性？不是。线性非晶态高聚物在Tg~Tf表现出高弹性。高结晶性聚合物高度交联的高聚物高刚性链大分子不具有高弹性高弹性的实质大分子链段运动的结果-----构象熵变化的结果高聚物的高弹性具有时间、温度依赖性弹性模量随温度升高而增大;快速拉伸时具有明显的热效应---放热熵增是自发过程T↑，链段活动

4、能力↑，构象熵增趋势增大抵抗变形的内应力↑，E↑拉伸时，dW＞0，放热；回缩时，dW＜0，吸热；链段松弛过程具有时间依赖性，快速拉伸，链段来不及松弛，回缩落后于拉伸橡胶高弹性条件温度：Tg~Tf之间大分子链柔顺性好---孤立双键、-Si-O-分子量足够大，且适度交联（微交联）减弱链末端影响保证形变可逆热塑性弹性体(thermoplasticelastomer,TPE)橡胶高弹性塑料的可再加工性嵌段共聚型TPESBS共混型TPEPP/EPDM汽车保险杠§5.3高聚物的粘弹性粘弹性：外力作用下，材料的形变同时表

5、现出固体弹性和液体粘性的特征。其现象表现为材料的力学性质随时间而变化的松弛特性。形变时间交联高聚物理想弹性体理想粘性体线性高聚物最基本的力学松弛现象：蠕变应力松弛滞后力学损耗静态粘弹性动态粘弹性1）蠕变恒温、恒负荷下，高聚物材料的形变随时间的延长逐渐增加的现象。高聚物的蠕变性能决定材料的尺寸稳定性典型蠕变曲线普弹形变高弹形变粘性流动高聚物的蠕变包括三种形变过程普弹形变ε1----虎克定律高分子材料受到外力作用时，分子链内部键长和键角立刻发生变化，形变量很小，外力除去后，普弹形变立刻完全恢复，与时间无关。高弹

6、形变ε2链段运动产生的形变τ--蠕变延迟时间粘性流动ε3分子链发生相对位移而造成的形变ε3ε3ε1ε2ε2ε1tε蠕变及蠕变回复曲线高聚物受到外力作用时，三种形变是一起发生的，材料总形变为三种形变的相对比例依具体条件不同而不同不同温度下：时，主要是时，主要是和时，，，都较显著蠕变的影响因素（1）温度：温度升高，蠕变速率增大，蠕变程度变大因为外力作用下，温度高使分子运动速度加快，松弛加快（2）外力作用大，蠕变大，蠕变速率高（同于温度的作用）tε（3）受力时间：受力时间延长，蠕变增大。T外力（4）分子结构主链刚

7、性大：分子运动性差，外力作用下，蠕变小交联与结晶：交联使蠕变程度减小，结晶也类似于交联作用，使蠕变减小。t100020003000ε（%）聚砜聚苯醚聚碳酸酯改性聚苯醚0.51.01.52.0例1：硬PVC抗蚀性好，可作化工管道，但易蠕变，所以使用时必须增加支架。例2：PTFE是塑料中摩擦系数最小的，所以有很好的自润滑性能，但蠕变严重，所以不能作机械零件，却是很好的密封材料。例3：橡胶采用硫化交联的办法来防止由蠕变产生分子间滑移造成不可逆的形变。应用举例：2）应力松弛（StressRelax）定义：恒温恒应变

8、下，应力随时间的增加而逐渐衰减，这一现象叫应力松弛。交联高聚物线形聚合物2）应力松弛（StressRelax）维持ε不变应力松弛应力松弛的本质:比较缓慢的链段运动所导致的构象重排和分子间链滑移。受力形变ετ—应力松弛时间粘弹性模型一个虎克弹簧（弹性）一个牛顿粘壶（粘性）串联说明粘弹性虎克弹簧牛顿粘壶σ1=Eε1σ1）Maxwell模型如果以恒定的σ作用于模型，弹簧与粘壶受力相同：σ=σ1=σ2形变应为两者之和：ε