高分子材料的力学性能分解课件.ppt

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1、高分子材料的强度理论主讲人：谢家振班级：金材普2011-01学号：20114408841、高分子材料强度的微观理论2、高聚物的理论强度3、高聚物的主要力学强度4、影响高聚物强度的因素主要内容高聚物的断裂最终是主价键的断裂材料的强度大小取决于主价键和次价键的强度。1、高分子材料强度的微观理论①.理论强度的原子分子论述主价键（化学键），键能较高，约100KCa·mol-1。次价键（范德华力），约10KCa·mol-1以上。材料的本征破裂能只有次价键的断裂，则各向同性高聚物，σb约为E/50~E/100大多数固体材料的理论E间的关系：理论强度等于微观应变假设试样

2、形变时宏观应变材料E(MPa)σth（MPa）σb(MPa)典型玻璃态高聚物PMMA典型结晶高聚物如HDPE热固性高聚物如环氧树脂取向高聚物纤维如尼龙6聚双乙炔单晶纤维3000～20003500600060,000300～20035060060005020705002000表4-1实际拉伸强度与理论强度的比较主价键从完整态A转变到断裂状态B是一个活化过程，可用化学动力学方法处理，建立强度的动力学理论。②.动力学理论（Zhurkov理论）2、高聚物的理论强度高分子抵抗断裂的能力称为高分子的强度。高分子材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱

3、或分子链间相互作用力的破坏。从分子水平上看，高分子的断裂要破坏分子内的化学键和分子间的范德华力与氢键。内部结构的破坏可归结为以下三种情况：化学键破坏分子间滑脱范德华力或氢键破坏理论强度的计算1.化学键举例：共价键的键能为335～378KJ/mol（5～610-19J/键）键长1.5埃，两个原子的相互吸引力f＝w/d＝3～410-9N/键，对聚乙烯分子截面为2010－20m2则可以计算最大理论强度：21010N/m2，而实际的抗张强度仅为108N/m2。原因：实际的聚合物达不到那种完全规整的水平，存在应力集中（杂质，小裂纹，空隙，缺口）的缺点。2.分

4、子间滑脱：断裂需要破坏分子链尺寸范围内的分子间作用力。氢键：20KJ/mol，假设0.5nm有一个氢键，分子间的滑脱尺寸为100nm总能量可以达到4000KJ/mol，即使没有氢键，05.nm的链段的内聚能假设为5KJ/mol，100nm长的分子链的内聚能1000KJ/mol，比化学键来的高，所以发生这种断裂是不可能的。3.断裂需要克服的是断面部分的分子间力，氢键：20KJ/mol，作用范围0.3nm，破坏一个氢键需要110-10N，范德华力8KJ/mol，作用范围0.4nm，破坏一对范德华力需要310-10N，假设每0.25nm2有一个氢键或范德华键

5、，拉伸强度为4108Pa，1.2108Pa。在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度在几千MPa，而实际只有几十MPa。PA,60MPaPPO,70MPa理论值与实验结果相差原因样条存在缺陷应力集中可能导致聚合物强度下降的微观结构细节示意图层间区（无定型区）微区边界结晶区域填料粒子（相容性差）微空洞分离的异物片晶内缺陷交联点次价键链末端链缠结3、高聚物的主要力学强度高聚物的力学强度张应力拉伸强度弯曲力矩抗弯强度压应力抗压强度拉伸模量弯曲模量循环应力疲劳强度冲击冲击强度4、影响高聚物强度的因素凡是有利于提高材料的弹性模量、有利于增加断裂过程的表面

6、功和增加分子稳定性的因素，都使材料的强度提高；凡是使材料形成弱点而增加应力分布的不均匀性的因素，都使材料的强度下降。1化学结构主链含有芳杂环的高聚物，其强度和模量都比脂肪族主链高材料的强度取决于主价键和次价键，因此高分子材料的化学结构是影响其强度的根本因素。增加取代基的极性或产生氢键可使强度提高，极性基团或氢键的密度愈大，强度愈高。2分子量超过最小聚合度，随分子量增大，材料强度逐步增大。但当分子量相当大，材料强度主要取决于化学键能的大小，不再依赖分子量而变化。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。不同聚合物，要求的最小

7、聚合度不同3结晶主要影响因素有结晶度、晶粒尺寸和晶体结构结晶度上升，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伸直链晶体的拉伸强度最大，串晶次之，球晶最小4交联交联可以提高材料抗蠕变能力，提高断裂强度。适度交联强度增加；过度交联将使材料变脆弱橡胶的拉伸强度与交联剂用量的关系5取向取向使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，平行于取向方向的强度、模量和伸长率提高，垂直于取向方向的强度和伸长率降低。对于塑性、易结晶材料，在平行于取向方

8、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。6温度