高聚物的力学性能材料科学基础ppt课件.ppt

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1、聚合物分子运动的特点：聚合物分子运动的特点：o分子运动的多样性分子运动的多样性 (Varieties of molecular movements)o分子运动与时间有关分子运动与时间有关 (The relationship with time)o分子运动与温度有关分子运动与温度有关 (The relationship with temperature)分子运动的多样性：分子运动的多样性：o具有多种运动模式具有多种运动模式n由于高分子的长链结构，分子量不仅高，还具有由于高分子的长链结构，分子量不仅高，还具有多分散性，此外，它还可以带有不同的侧基，加多分散性，此外，它还可以带有不同的侧基，加上支化

2、，交联，结晶，取向，共聚等，使得高分上支化，交联，结晶，取向，共聚等，使得高分子的运动单元具有多重性，或者说高聚物的分子子的运动单元具有多重性，或者说高聚物的分子运动有多重模式运动有多重模式o具有多种运动单元具有多种运动单元n如如侧基侧基、支链支链、链段链段、整个分子链整个分子链等等各种运动单元的运动方式：各种运动单元的运动方式：o链段的运动链段的运动: 主链中碳主链中碳-碳单键的内旋转碳单键的内旋转, 使得高使得高分子链有可能在整个分子不动分子链有可能在整个分子不动, 即分子链质量中即分子链质量中心不变的情况下心不变的情况下, 一部分链段相对于另一部分链一部分链段相对于另一部分链段而运动段而

3、运动o侧基的运动侧基的运动: 侧基运动是多种多样的侧基运动是多种多样的, 如转动如转动, 内旋转内旋转, 端基的运动等端基的运动等o高分子的整体运动高分子的整体运动: 高分子作为整体呈现质量高分子作为整体呈现质量中心的移动中心的移动o晶区内的运动晶区内的运动: 晶型转变，晶区缺陷的运动等晶型转变，晶区缺陷的运动等分子运动的时间依赖性：分子运动的时间依赖性：o在一定的温度和外力作用下在一定的温度和外力作用下, 高聚物分子从一种高聚物分子从一种平衡态过渡到另一种平衡态需要一定的时间平衡态过渡到另一种平衡态需要一定的时间; 因因为各种运动单元的运动都需克服内摩擦阻力为各种运动单元的运动都需克服内摩擦

4、阻力, 不不可能瞬时完成。可能瞬时完成。o这个过程称为这个过程称为松弛过程松弛过程，完成这个过程所需要，完成这个过程所需要的时间叫的时间叫松弛时间松弛时间。分子运动的温度依赖性：分子运动的温度依赖性：o温度升高温度升高,使分子的内能增加使分子的内能增加n运动单元做某一模式的运动需要一定的能量运动单元做某一模式的运动需要一定的能量, 当当温度升高到运动单元的能量足以克服的能垒时温度升高到运动单元的能量足以克服的能垒时,这一模式的运动被激发这一模式的运动被激发o温度升高使聚合物的体积增加温度升高使聚合物的体积增加n分子运动需要一定的空间分子运动需要一定的空间, 当温度升高到使自由当温度升高到使自由

5、空间达到某种运动模式所需要的尺寸后空间达到某种运动模式所需要的尺寸后, 这一运这一运动就可方便地进行动就可方便地进行一、一、 聚合物的力学状态聚合物的力学状态o高分子不同的运动机制在宏观上表现为不同高分子不同的运动机制在宏观上表现为不同的力学状态：的力学状态：o1 1、线形非晶态高聚物的力学状态：、线形非晶态高聚物的力学状态：o将一块线形非晶态聚合物试样将一块线形非晶态聚合物试样, 在恒应力作用在恒应力作用下等速升温下等速升温, 观察聚合物的形变与温度的关系观察聚合物的形变与温度的关系, 所得曲线称为所得曲线称为温度形变曲线温度形变曲线或或热机械曲线热机械曲线温度形变曲线温度形变曲线形变形变温

6、度温度TgTf玻璃态玻璃态高弹态高弹态橡胶态橡胶态粘流态粘流态玻璃化转变区域玻璃化转变区域粘流转变区域粘流转变区域非晶态聚合物非晶态聚合物Tg glass transition temperature 玻璃化转变温度玻璃化转变温度Tf viscosity flow temperature 粘流温度粘流温度The relationship between modulus and temperature 模量与温度的关系模量与温度的关系TgTfET同样可以分为同样可以分为“三态三态”“”“两两区区”“三态两区三态两区”的特点的特点o玻璃态玻璃态： 分子链几乎无运动分子链几乎无运动, 聚合物类似玻璃

7、聚合物类似玻璃, 通通常为脆性的常为脆性的, 模量为模量为1041011Pao玻璃化转变玻璃化转变： 整个大分子链还无法运动整个大分子链还无法运动, 但链段但链段开始发生运动开始发生运动, 模量下降模量下降34个数量级个数量级, 聚合物行聚合物行为与皮革类似为与皮革类似o高弹态高弹态： 链段运动激化链段运动激化, 但分子链间无滑移但分子链间无滑移. 受力受力后能产生可以回复的大形变后能产生可以回复的大形变, 称之为高弹态称之为高弹态, 为聚为聚合物特有的力学状态合物特有的力学状态. 模量进一步降低模量进一步降低, 聚合物表聚合物表现出橡胶行为现出橡胶行为“三态两区三态两区”的特点的特点o粘流转

8、变粘流转变: 分子链重心开始出现相对位移分子链重心开始出现相对位移. 模模量再次急速下降量再次急速下降. 聚合物既呈现橡胶弹性聚合物既呈现橡胶弹性, 又又呈现流动性呈现流动性. 对应的转温度对应的转温度Tf称为粘流温度称为粘流温度o粘流态粘流态：大分子链受外力作用时发生位移：大分子链受外力作用时发生位移, 且且无法回复。行为与小分子液体类似无法回复。行为与小分子液体类似Tg的学术意义的学术意义:聚合物分子链柔性聚合物分子链柔性表征高聚物的特征指标表征高聚物的特征指标高聚物分子柔性越大，玻高聚物分子柔性越大，玻璃化转变温度越低。璃化转变温度越低。另外，对于相对分子质量另外，对于相对分子质量足够高

9、的高聚物，足够高的高聚物，Tg几乎几乎不依赖于不依赖于相对分子质量。相对分子质量。玻璃化转变的现象：玻璃化转变的现象：o聚合物在玻璃化转变时，很多物理性质聚合物在玻璃化转变时，很多物理性质都会出现突变或不连续变化，都会出现突变或不连续变化，如：如：o体积、比容等体积、比容等o热力学性质：比热、导热系数等热力学性质：比热、导热系数等o力学性能：模量、形变等力学性能：模量、形变等o电磁性能：介电常数等电磁性能：介电常数等Tg的工艺意义的工艺意义:o常温下处于玻璃态的非晶态高聚物可作常温下处于玻璃态的非晶态高聚物可作为为塑料。塑料。 Tg是是非晶态非晶态热塑性塑料热塑性塑料使用使用温度的上限温度的上

10、限（最高使用温度）（最高使用温度）o常温下处于高弹态的非晶态高聚物可作常温下处于高弹态的非晶态高聚物可作为为橡胶。橡胶。Tg是是非晶性非晶性橡胶橡胶(如天然橡胶如天然橡胶, 丁苯橡胶等丁苯橡胶等)使用温度的下限使用温度的下限（最低使（最低使用温度）用温度）o粘流态是高聚物成型中最重要的状粘流态是高聚物成型中最重要的状态。态。o非晶态高聚物利用粘流态进行加工非晶态高聚物利用粘流态进行加工成型（注射成型、挤出成型和吹塑成型（注射成型、挤出成型和吹塑成型等）时，成型等）时，加工温度一般在加工温度一般在T Tf f T Td d( (高聚物的分解温度高聚物的分解温度) )。o非晶态高聚物的粘流温度非晶

11、态高聚物的粘流温度Tf 随相对随相对分子质量的增加而提高。分子质量的增加而提高。o注意：以上讨论对支化高聚物同样注意：以上讨论对支化高聚物同样适用。适用。、部分结晶高聚物的力学状态：、部分结晶高聚物的力学状态：o 不太大时：则晶区熔融（不太大时：则晶区熔融（ ），非晶），非晶区的区的 ，所以试样成为粘流态。，所以试样成为粘流态。o 足够大时：非晶区的足够大时：非晶区的 ，则晶区，则晶区虽熔融（虽熔融（ ），但非晶区试样进入高弹），但非晶区试样进入高弹态再升温到以上才流动。态再升温到以上才流动。 从加工角度看，这种情况是不希望的从加工角度看，这种情况是不希望的（在高温下出现高弹态将给加工带来麻（

12、在高温下出现高弹态将给加工带来麻烦。烦。(M(M代表相对分子质量代表相对分子质量) )MMmTmfTT mfTTmTo结晶高聚物的熔点与分子链的柔性结晶高聚物的熔点与分子链的柔性和分子间的作用力有关：和分子间的作用力有关：o分子链越柔，则熔点分子链越柔，则熔点Tm越低；越低；o分子间相互作用越强，特别是有氢分子间相互作用越强，特别是有氢键作用时，熔点键作用时，熔点Tm越高。越高。o熔点高于室温的部分结晶高聚物可熔点高于室温的部分结晶高聚物可用做塑料或纤维，它们的使用温度用做塑料或纤维，它们的使用温度上限为上限为T Tmm。3 3、交联高聚物的力学状态：、交联高聚物的力学状态：分子链间分子链间的

13、交联限制了的交联限制了整链运动，所整链运动，所以不能流动，以不能流动，即即不可能出现不可能出现粘流态粘流态。二、高聚物的高弹性与流变性二、高聚物的高弹性与流变性o、高弹性：、高弹性：o高弹性的特点：高弹性的特点：o高弹态是高弹态是高聚物所特有高聚物所特有的，是基于的，是基于链段运动链段运动的一种的一种力学状态，可以通过高聚物在一定条件下，通过玻力学状态，可以通过高聚物在一定条件下，通过玻璃化转变而达到。璃化转变而达到。o处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能o高弹性高弹性o这是高聚物中一项十分难能可贵的性能这是高聚物中一项十分难能可贵的性能o橡胶就是具有高

14、弹性的材料，橡胶就是具有高弹性的材料，高弹性的特高弹性的特征表现在：征表现在：o弹性形变大，可高达弹性形变大，可高达1000%，而金属材，而金属材料的料的普弹形变普弹形变不超过不超过1%o弹性模量小，弹性模量小，105106 Pa，而且随绝对，而且随绝对温度升高而升高；而金属材料的弹性模量温度升高而升高；而金属材料的弹性模量达达 10101011 Pa ，而且随绝对温度升高而，而且随绝对温度升高而降低。降低。o在快速拉伸时（绝热过程），高聚物温在快速拉伸时（绝热过程），高聚物温度上升；而金属材料温度下降。（如果把度上升；而金属材料温度下降。（如果把橡胶薄片拉长，把它贴在嘴唇或面颊上，橡胶薄片拉

15、长，把它贴在嘴唇或面颊上，就会感到橡皮在伸长时发热，回缩时吸就会感到橡皮在伸长时发热，回缩时吸热。）热。）o形变与时间有关，橡胶受到外力（应力形变与时间有关，橡胶受到外力（应力恒定）压缩或拉伸时，形变总是随时间而恒定）压缩或拉伸时，形变总是随时间而发展，最后达到最大形变。（理想高弹体发展，最后达到最大形变。（理想高弹体的高弹应变对应力的响应是瞬间完成的）的高弹应变对应力的响应是瞬间完成的）o（如后图）（如后图）2、流变性：、流变性：o高聚物在高聚物在Tf以上处于粘流态，成为熔以上处于粘流态，成为熔体体o高聚物熔体主要力学特性就是具有高聚物熔体主要力学特性就是具有流变性能流变性能o几乎所有高聚物

16、都是利用其粘流态几乎所有高聚物都是利用其粘流态下的流动行为进行加工成型的，所下的流动行为进行加工成型的，所以了解和掌握高聚物的流变性是很以了解和掌握高聚物的流变性是很重要的重要的o流变学流变学：是研究材料流动和变形的：是研究材料流动和变形的科学科学o高聚物流变学高聚物流变学：是流变学的一个分：是流变学的一个分支，着重研究高聚物熔体的流变性，支，着重研究高聚物熔体的流变性，它是一门十分年轻的科学，近几十它是一门十分年轻的科学，近几十年来才得到重视。由于实际上的困年来才得到重视。由于实际上的困难，连定性的规律也还没有取得一难，连定性的规律也还没有取得一致的看法。我们在这一节主要讨论致的看法。我们在

17、这一节主要讨论高聚物流变性的一些基本规律，尽高聚物流变性的一些基本规律，尽管不够完善，管不够完善，但对于指导高聚物成但对于指导高聚物成型加工还是有意义的型加工还是有意义的。流动方向流动方向速度梯度速度梯度剪切流动按照流动的边界条件可分为；剪切流动按照流动的边界条件可分为；此外，粘性流体在此外，粘性流体在静压力作用下的静压力作用下的体积压缩实际上体积压缩实际上也是一种流动也是一种流动（压制成型）（压制成型）o许多实际粘性流体的流动行为并不许多实际粘性流体的流动行为并不服从牛顿定律。服从牛顿定律。o以剪切流动为例，如果以剪切流动为例，如果流体的粘度流体的粘度与切应力或切变速率有关与切应力或切变速率

18、有关，则这种，则这种流体叫做流体叫做非牛顿流体非牛顿流体。o非牛顿流体的类型很多，非牛顿流体的类型很多，最常见的最常见的有有：o 宾汉塑性流体宾汉塑性流体o 假塑性流体（切力变稀流体）假塑性流体（切力变稀流体）o 膨胀性流体（切力变稠流体）膨胀性流体（切力变稠流体）o大量研究表明：大量研究表明：o 大多数高聚物熔体都为大多数高聚物熔体都为假塑性流体假塑性流体。即即表观粘度表观粘度随切变速率的增大而降随切变速率的增大而降低。低。o原因：原因：P226三、高聚物的粘弹性三、高聚物的粘弹性o、粘弹性的概念：粘弹性的概念：前面讨论过的实际高弹性就是高聚物粘弹性的一种前面讨论过的实际高弹性就是高聚物粘弹

19、性的一种表现形式，实际高弹变形随时间的变化正是弹性与表现形式，实际高弹变形随时间的变化正是弹性与粘性组合的结果。粘性组合的结果。以下仅讨论高分子材料几种典型的以下仅讨论高分子材料几种典型的线性粘弹性线性粘弹性行为，即蠕变、应力松弛和动态力学性能行为，即蠕变、应力松弛和动态力学性能o2、蠕变蠕变3、应力松弛、应力松弛o高聚物在流动过程中所发生的形变中：高聚物在流动过程中所发生的形变中：o只有一部分（粘性流动）是不可逆的。只有一部分（粘性流动）是不可逆的。 因为高聚物的流动并不是高分子链之间因为高聚物的流动并不是高分子链之间的简单的相对滑移的结果，而是各个链段的简单的相对滑移的结果，而是各个链段分

20、段运动的总结果。在外力作用下，高分分段运动的总结果。在外力作用下，高分子链顺外力场有所伸展，这就是说，在高子链顺外力场有所伸展，这就是说，在高聚物进行粘性流动的同时，必然会伴随一聚物进行粘性流动的同时，必然会伴随一定量的高弹形变，这部分高弹形变显然是定量的高弹形变，这部分高弹形变显然是可逆的，外力消失后，高分子链又要蜷曲可逆的，外力消失后，高分子链又要蜷曲起来，因而整个形变要恢复一部分。起来，因而整个形变要恢复一部分。o高弹形变的恢复过程也是一个松弛高弹形变的恢复过程也是一个松弛过程过程。因为恢复的快慢一方面与高。因为恢复的快慢一方面与高分子链本身的柔顺性有关，柔顺性分子链本身的柔顺性有关，柔

21、顺性好，恢复得快，柔顺性差，恢复就好，恢复得快，柔顺性差，恢复就慢；另一方面与高聚物所处的温度慢；另一方面与高聚物所处的温度有关，温度高，恢复得快，温度低，有关，温度高，恢复得快，温度低，恢复就慢。恢复就慢。o高聚物流动的这个特点，在成型加高聚物流动的这个特点，在成型加工过程中必须予以充分重视，否则工过程中必须予以充分重视，否则就不可能得到合格的产品。就不可能得到合格的产品。四、高聚物的应力四、高聚物的应力应变行为应变行为o1、高聚物典型的应力高聚物典型的应力应变行为：应变行为：o高聚物的品种很多，高聚物的品种很多，力学性能变化范围很广力学性能变化范围很广，就，就室温下的应力室温下的应力应变行

22、为而言有四种典型的曲线。应变行为而言有四种典型的曲线。o图图9-25o判断材料强、弱的指标是断裂强度；判断材料强、弱的指标是断裂强度；o判断材料刚与软的指标是弹性模量；判断材料刚与软的指标是弹性模量；o判断材料淬与韧的指标是断裂能；判断材料淬与韧的指标是断裂能；o凡是能出现屈服点、断裂强度高、断裂伸长率大凡是能出现屈服点、断裂强度高、断裂伸长率大的材料，一般具有良好的韧性。的材料，一般具有良好的韧性。与金属材料相比，高聚物的模量和强度要低与金属材料相比，高聚物的模量和强度要低得多，而最大断裂伸长率又比金属高得多。得多，而最大断裂伸长率又比金属高得多。o刚而脆刚而脆：弹性模量高，抗拉强度大，没有

23、屈服点，：弹性模量高，抗拉强度大，没有屈服点，断裂伸长率一般小于断裂伸长率一般小于2%。o刚而强刚而强：弹性模量高，抗拉强度大，断裂伸长率：弹性模量高，抗拉强度大，断裂伸长率可达可达5%。o软而韧软而韧：弹性模量低，屈服点低或没有明显的屈：弹性模量低，屈服点低或没有明显的屈服点，伸长率很大服点，伸长率很大 20%1000% ，断裂强度较高。，断裂强度较高。o刚而韧刚而韧：弹性模量高，有明显的屈服，屈服强度：弹性模量高，有明显的屈服，屈服强度和抗拉强度都高，断裂伸长率较大。应力和抗拉强度都高，断裂伸长率较大。应力应变应变曲线包围的面积很大，表明这类材料是良好的韧曲线包围的面积很大，表明这类材料是

24、良好的韧性材料。性材料。o由于高聚物突出的粘弹性，其应力由于高聚物突出的粘弹性，其应力-应变应变行为受行为受温度温度和和应变速率应变速率的影响很大。的影响很大。o图图9-26（温度对应力（温度对应力应变行为的影响）应变行为的影响）o韧韧-脆转变温度称为脆转变温度称为脆化温度脆化温度Tbo应变速率对高聚物应力应变速率对高聚物应力应变行为的影响应变行为的影响规律，可概括为规律，可概括为“降低应变速率的效果相降低应变速率的效果相当于升高温度当于升高温度”。2、高聚物的屈服与冷拉、高聚物的屈服与冷拉o玻璃态玻璃态高聚物在高聚物在TbTg之间之间和和部分结晶高部分结晶高聚物聚物在在TbTm之间典型的拉伸

25、之间典型的拉伸应力应力-应变应变曲线和试样形状的变化过程如图曲线和试样形状的变化过程如图9-27o 冷拉冷拉的概念的概念o冷拉冷拉后残留变形的恢复后残留变形的恢复o银纹银纹现象：现象：o银纹不同于裂纹：银纹不同于裂纹：o银纹仍有一定的强度银纹仍有一定的强度o银纹的形成是玻璃态高聚物脆性断裂的先银纹的形成是玻璃态高聚物脆性断裂的先兆，裂纹是通过银纹扩展的。（图兆，裂纹是通过银纹扩展的。（图9-30）3、高聚物的断裂强度、高聚物的断裂强度o高聚物断裂机理假设高聚物断裂机理假设：o 切断高分子链的化学键切断高分子链的化学键o 高分子链彼此滑脱（分子间的范德华高分子链彼此滑脱（分子间的范德华 o 力或

26、氢键全部破坏）力或氢键全部破坏）o 破坏高分子之间的范德华作用或氢键破坏高分子之间的范德华作用或氢键o （分子间的范德华力或氢键部分破坏）（分子间的范德华力或氢键部分破坏）o研究表明研究表明：o 1、 高聚物断裂时，既涉及到化学键的断裂，也高聚物断裂时，既涉及到化学键的断裂，也涉及到范德华作用的克服。涉及到范德华作用的克服。o 2、高聚物的实际强度与理论强度相差很大。、高聚物的实际强度与理论强度相差很大。o （理论强度（理论强度=（1001000）实际强度）实际强度）o原因原因：材料内部的缺陷会引起应力集中。：材料内部的缺陷会引起应力集中。o缺陷缺陷：几何的不连续（孔、空洞、缺口、沟槽、：几何

27、的不连续（孔、空洞、缺口、沟槽、裂纹）；材质的不连续（杂质的质点）；载荷的裂纹）；材质的不连续（杂质的质点）；载荷的不连续；不连续的温度分布产生的热应力；不连不连续；不连续的温度分布产生的热应力；不连续的约束产生的应力集中续的约束产生的应力集中o产生缺陷的方式很多：产生缺陷的方式很多：o1、材料可能含有杂质颗粒、成块的不相容的添、材料可能含有杂质颗粒、成块的不相容的添加剂、相对分子质量太低可能使溶体在冷却过程加剂、相对分子质量太低可能使溶体在冷却过程中形成中形成 微孔和出现裂纹。微孔和出现裂纹。o2、由产品设计造成。如断面的急剧变化，开设、由产品设计造成。如断面的急剧变化，开设的空洞及缺口，不

28、成弧形的拐角。的空洞及缺口，不成弧形的拐角。o3、加工条件不当造成。如温度太低，时间太短，、加工条件不当造成。如温度太低，时间太短，都会引起不适当的固结作用以及颗粒间的不良结都会引起不适当的固结作用以及颗粒间的不良结合等合等影响高聚物强度的因素：影响高聚物强度的因素：o影响因素一般可分为两大类：影响因素一般可分为两大类：o 与高聚物本身结构有关的因素与高聚物本身结构有关的因素o 与外界条件有关的因素（温度、湿度、应变速与外界条件有关的因素（温度、湿度、应变速率、流体静压等）率、流体静压等） 与高聚物本身结构有关的因素与高聚物本身结构有关的因素o1、化学结构的影响：、化学结构的影响：o高聚物的强

29、度来源于主链化学键和分子间的相互高聚物的强度来源于主链化学键和分子间的相互作用力，所以凡能增加高分子的极性或产生氢键作用力，所以凡能增加高分子的极性或产生氢键都可使材料强度提高。都可使材料强度提高。o2、相对分子质量的影响：、相对分子质量的影响：o就相对分子质量不同的同系高聚物而言，在相对就相对分子质量不同的同系高聚物而言，在相对分子质量比较低时，断列裂强度随相对分子质量分子质量比较低时，断列裂强度随相对分子质量的增加而提高，在相对分子质量较高时，强度对的增加而提高，在相对分子质量较高时，强度对相对分子质量的依赖性逐渐减弱，当相对分子质相对分子质量的依赖性逐渐减弱，当相对分子质量足够高时，实际强度与相对分子质量无关。量足够高时，实际强度与相对分子质量无关。o（原因（原因P239）o3、交联的影响（、交联的影响（P239）o4、聚集态结构的影响、聚集态结构的影响o 结晶的影响：结晶度和球晶的大小结晶的影响：结晶度和球晶的大小o 取向的影响：取向的影响：o 添加剂的影响：添加剂的影响：o 共聚和共混的影响：共聚和共混的影响：与外界条件有关的因素与外界条件有关的因素o温度、湿度、应变速率、流体静压等温度、湿度、应变速率、流体静压等