高聚物的物理性能精选PPT.ppt

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1、关于高聚物的物理性关于高聚物的物理性能能现在学习的是第1页，共60页 知识目标：知识目标：v掌握高聚物的物理状态及其特征、高聚物各种特征温度及其影响因掌握高聚物的物理状态及其特征、高聚物各种特征温度及其影响因素和应用，高聚物的力学性能、高弹性特征；素和应用，高聚物的力学性能、高弹性特征；v理解高聚物分子运动单元的多重性和运动过程的对温度、时间理解高聚物分子运动单元的多重性和运动过程的对温度、时间的依赖性，高聚物力学性能的影响因素；的依赖性，高聚物力学性能的影响因素；v了解高聚物的粘流特性、粘弹性（力学松弛）、电性能、光学性能、了解高聚物的粘流特性、粘弹性（力学松弛）、电性能、光学性能、透气性能

2、、热性能等及其应用。透气性能、热性能等及其应用。本章学习目标本章学习目标现在学习的是第2页，共60页本章学习目标本章学习目标能力目标能力目标v能根据高聚物的形变能根据高聚物的形变-温度曲线类型正确判断高聚物的使用状态及其使温度曲线类型正确判断高聚物的使用状态及其使用温度范围；用温度范围；v能根据应力能根据应力-应变曲线类型区分高分子材料的力学特性和应用场合；应变曲线类型区分高分子材料的力学特性和应用场合；v能正确分析高聚物材料使用过程出现力学松弛（如蠕变、应力能正确分析高聚物材料使用过程出现力学松弛（如蠕变、应力松弛、内耗等）的原因，并能实际情况加以避免或利用。松弛、内耗等）的原因，并能实际情

3、况加以避免或利用。素质目标素质目标v培养学生学生综合分析问题和解决问题的能力；培养学生学生综合分析问题和解决问题的能力；v培养学生用科学理论指导工作实践的习惯、较高的专业思维能培养学生用科学理论指导工作实践的习惯、较高的专业思维能力和养成良好的职业习性。力和养成良好的职业习性。现在学习的是第3页，共60页7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变 高分子热运动是联系高聚物结构与性能的桥梁，与低分子热运动高分子热运动是联系高聚物结构与性能的桥梁，与低分子热运动相比，是极其复杂的。相比，是极其复杂的。1、高分子运动单元的多重性、高分子运动单元的多重性（1）整个大分子链运动（布朗运动）

4、整个大分子链运动（布朗运动）以整个分子链为整体，作振动、转动和移动。导致分子链质量以整个分子链为整体，作振动、转动和移动。导致分子链质量中心的相对位移。中心的相对位移。宏观表现：聚合物溶液或熔体的流动、材料的永久变形等宏观表现：聚合物溶液或熔体的流动、材料的永久变形等（2）链段运动（内旋转）链段运动（内旋转）是区别于小分子运动的特殊运动形式。是区别于小分子运动的特殊运动形式。运动结果可使大分子有着强烈伸展或卷曲的倾向，是大分子链具运动结果可使大分子有着强烈伸展或卷曲的倾向，是大分子链具有柔性的根本原因。有柔性的根本原因。聚合物的许多独特性能都与链段运动有关。聚合物的许多独特性能都与链段运动有关

5、。7.1.1 7.1.1 高聚物分子的热运动特点高聚物分子的热运动特点高聚物分子的热运动特点高聚物分子的热运动特点现在学习的是第4页，共60页（3 3）链节、侧基、支链运动（微布朗运动）链节、侧基、支链运动（微布朗运动）链节运动包括碳链聚合物中的曲柄运动、杂链聚物中官能团链节运动包括碳链聚合物中的曲柄运动、杂链聚物中官能团化学键的运动等。化学键的运动等。侧基和支链运动是相对于主链的摆动、转动以及自身的内旋转。这侧基和支链运动是相对于主链的摆动、转动以及自身的内旋转。这些运动对材料的低温力学性能有影响。些运动对材料的低温力学性能有影响。7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变u

6、C8曲柄运动曲柄运动12345678109028特点：需要能量低，键长、键角不变。影响高分子材料的低温性能。特点：需要能量低，键长、键角不变。影响高分子材料的低温性能。现在学习的是第5页，共60页u链段运动链段运动分子链中间部分分子链中间部分链段内旋转链段内旋转分子链近链端部分分子链近链端部分链段内旋转链段内旋转分子链侧链部分链分子链侧链部分链段内旋转段内旋转7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变2、高分子运动对时间的依赖性、高分子运动对时间的依赖性图图7-1 7-1 高分子在外力作用下的分子运动过程高分子在外力作用下的分子运动过程现在学习的是第6页，共60页 即高聚

7、物从一种平衡状态通过分子热运动过渡到新的平衡状即高聚物从一种平衡状态通过分子热运动过渡到新的平衡状态需要克服内摩擦力，总是有一个时间过程态需要克服内摩擦力，总是有一个时间过程 这个克服内摩擦力的过程称为这个克服内摩擦力的过程称为“松弛过程松弛过程”，所需时间称为，所需时间称为“松弛松弛时间时间”。刚性越大的高分子链，松弛时间越长。刚性越大的高分子链，松弛时间越长。3、高分子运动对温度的依赖性、高分子运动对温度的依赖性 温度升高对高分子的热运动是有利的，可加快松弛过程，减短松弛时温度升高对高分子的热运动是有利的，可加快松弛过程，减短松弛时间。间。可见，升温与延长时间对于高分子运动是等效的。可见，

8、升温与延长时间对于高分子运动是等效的。7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变2、高分子运动对时间的依赖性、高分子运动对时间的依赖性现在学习的是第7页，共60页7.1.2 7.1.2 高聚物的物理状态高聚物的物理状态7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变1、线型非晶态高聚物的物理状态、线型非晶态高聚物的物理状态（1）非晶态高聚物的温度非晶态高聚物的温度-形变曲线形变曲线 非晶态高聚物的三种物理状态：玻璃态；高弹态；黏流态非晶态高聚物的三种物理状态：玻璃态；高弹态；黏流态图图7-2 7-2 非晶态高聚物的温度非晶态高聚物的温度-形变曲线形变曲线A

9、A玻璃态；玻璃态；B B，DD过渡区；过渡区；CC高弹态；高弹态；EE粘流态；粘流态；T Tb b脆化温度；脆化温度；T Tg g玻璃化温度；玻璃化温度；T Tf f粘流温度粘流温度现在学习的是第8页，共60页v 玻璃态玻璃态 力力力力学学学学特特特特征征征征：弹弹性性模模量量大大（10109 910101010PaPa），外外力力作作用用下下发发生生普普弹弹形形变，即变，即形变小，且形变可逆。结构类似玻璃。形变小，且形变可逆。结构类似玻璃。原因：原因：原因：原因：在区域在区域I I，温度低，分子链与链段运动被冻结，只有，温度低，分子链与链段运动被冻结，只有侧基、链节、链长、键角等的局部运动。

10、侧基、链节、链长、键角等的局部运动。原原原原因因因因：在在高高弹弹区区，T TT Tg g，随随着着TT，链链段段运运动动被被“解解冻冻”，当当受受到到外外力力拉拉伸伸时时，高高分分子子链链可可以以通通过过链链段段运运动动来来改改变变构构象象以以适适应应外外力力的的作作用用，分分子子链链从从卷卷曲曲状状态态被被拉拉直直；外外力力解解除除后后，被拉直的分子链又通过链段运动自动恢复到卷曲状态。被拉直的分子链又通过链段运动自动恢复到卷曲状态。7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变u 高弹态高弹态 力学特征：力学特征：力学特征：力学特征：弹性模量较小弹性模量较小(105 51

11、07 7Pa)，外力作用下发生高弹形变，外力作用下发生高弹形变（形变量（形变量100%1000%），具有高弹性行为。），具有高弹性行为。现在学习的是第9页，共60页7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变uu 粘流态粘流态粘流态粘流态力学特征：力学特征：力学特征：力学特征：弹性模量激剧下降弹性模量激剧下降(102 2104 4Pa)，外力作用下发生塑，外力作用下发生塑性形变（即永久形变）。性形变（即永久形变）。原因：原因：原因：原因：当当TTf f，链段与高分子整链均被，链段与高分子整链均被“解冻解冻”，在外力作用下，在外力作用下，随着随着T，链段运动剧烈，导致分子链发

12、生相对位移，形变不可链段运动剧烈，导致分子链发生相对位移，形变不可逆。逆。p 由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫玻璃化转变区，玻璃态由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫玻璃化转变区，玻璃态与高弹态的转变温度称为玻璃化转变温度，以与高弹态的转变温度称为玻璃化转变温度，以Tg g表示。表示。p 高弹态向粘流态发生突变的区域称为粘弹态转变区，两者的高弹态向粘流态发生突变的区域称为粘弹态转变区，两者的转变温度称为粘流温度，以转变温度称为粘流温度，以Tf f表示。表示。p 交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。不出现粘流态。现

13、在学习的是第10页，共60页7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变p 无定形塑料在玻璃态下使用、橡胶则在高弹态下使用、而高聚物材无定形塑料在玻璃态下使用、橡胶则在高弹态下使用、而高聚物材料的成型加工则一般需在粘流态下进行。料的成型加工则一般需在粘流态下进行。p三种物理状态的比较与应用见表三种物理状态的比较与应用见表7-1物理状态运动单元力学行为特征形变机理应用使用温度范围玻璃态侧基、支链、链节普弹形变键长、键角微变塑料、纤维TbTg高弹态链段高弹形变链段内旋转橡胶TgTf粘流态链段、整个大分子链塑性形变链段、整链发生相对位移黏合剂、涂料TfTd表表7-1 线型非晶态高

14、聚物的物理状态对比表线型非晶态高聚物的物理状态对比表现在学习的是第11页，共60页 相对分子质量对温度相对分子质量对温度-形变曲线形状有较大影响；分子量越大，形变曲线形状有较大影响；分子量越大，T Tf f越越高，高弹平台亦越宽。高，高弹平台亦越宽。结论，橡胶材料需要有较高的分子量，以便加宽使用温度范围，结论，橡胶材料需要有较高的分子量，以便加宽使用温度范围，提高耐热性。提高耐热性。7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变图图7-3 7-3 聚苯乙烯的形变聚苯乙烯的形变-温度曲线温度曲线相对分子质量依次为：相对分子质量依次为：1 1360360；2 2440440；3

15、3500500；4 411401140；5 530003000；6 64000040000；7 71200012000；8 8550000550000；9 9638000638000（2）线型非晶态高聚物的物理状态与平均相对分子质量的关系）线型非晶态高聚物的物理状态与平均相对分子质量的关系现在学习的是第12页，共60页7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变2、结晶态高聚物的物理状态、结晶态高聚物的物理状态（1）结晶态高聚物的形变）结晶态高聚物的形变-温度曲线温度曲线 12形变%TgTmTfT/图图7-4 7-4 结晶高聚物的形变结晶高聚物的形变-温度曲线温度曲线 1-

16、1-相对分子质量较小相对分子质量较小2-2-相对分子质量很大相对分子质量很大u 当当高高聚聚物物分分子子量量较较小小时时，TmTg，其其从从结结晶晶态态直直接接进进入入粘粘流流态态（见（见1 1）。）。两种力学状态：两种力学状态：结晶态和熔融态；一个转折点结晶态和熔融态；一个转折点熔点熔点Tm。p 结晶态：结晶态：力学特征：力学特征：力学特征：力学特征：类似于玻璃态，类似于玻璃态，原因：原因：原因：原因：低温时，晶态高聚物的高分低温时，晶态高聚物的高分子链段由于受晶格能的限制难以运子链段由于受晶格能的限制难以运动，所以形变很小。动，所以形变很小。高分子热运动克服了晶格能，整个高分子链运动起来，

17、进入了高分子热运动克服了晶格能，整个高分子链运动起来，进入了粘流态。所以高聚物的熔点粘流态。所以高聚物的熔点Tm又是粘流温度又是粘流温度p 熔融态：熔融态：现在学习的是第13页，共60页7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变结论：结论：结晶态高聚物可用作塑料与纤维，其使用的上限温度为结晶态高聚物可用作塑料与纤维，其使用的上限温度为Tm，一般，一般不宜用作橡胶。不宜用作橡胶。结晶高聚物的分子量不宜过高，否则对成型加工不利。结晶高聚物的分子量不宜过高，否则对成型加工不利。u 当高聚物分子量较高时，当高聚物分子量较高时，TmTg，其在晶区熔融后，先进入高弹，其在晶区熔融后，

18、先进入高弹态，再进入粘流态（见态，再进入粘流态（见2）表表7-2 7-2 结晶高聚物的物理状态对比表结晶高聚物的物理状态对比表温度范围物理状态性能一般相对分子质量相对分子质量很大TTg结晶态玻璃态硬塑料TgTTm结晶态高弹态韧塑料（皮革态）TTm粘流态粘流态加工状态结晶高聚物的物理状态特性、与材料应用的关系见表结晶高聚物的物理状态特性、与材料应用的关系见表7-2。现在学习的是第14页，共60页7.1.3 高聚物的玻璃化转变高聚物的玻璃化转变7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变 高聚物的玻璃化转变即为非晶态高聚物从玻璃态向高弹态的转变，对晶高聚物的玻璃化转变即为非晶态

19、高聚物从玻璃态向高弹态的转变，对晶态高聚物是指非晶态部分的这种转变态高聚物是指非晶态部分的这种转变。1、玻璃化温度（、玻璃化温度（Tg）u 高聚物从玻璃态向高弹态转变的温度即为高聚物从玻璃态向高弹态转变的温度即为Tg。u Tg是高聚物分子链开始运动或冻结的温度。是高聚物分子链开始运动或冻结的温度。u Tg是非晶态高聚物作为塑料使用的最高温度；是作为橡胶使是非晶态高聚物作为塑料使用的最高温度；是作为橡胶使用的最低温度。用的最低温度。2、影响玻璃化温度的因素、影响玻璃化温度的因素（1）主链结构的影响）主链结构的影响 规律：对主链柔性有影响的因素，都影响规律：对主链柔性有影响的因素，都影响Tg。柔性

20、。柔性，Tg。现在学习的是第15页，共60页7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变（2）侧基的影响）侧基的影响 规律：极性侧基的极性规律：极性侧基的极性，分子间作用力，分子间作用力，其，其Tg 。非极性侧基的体积效应非极性侧基的体积效应，分子链的柔性，分子链的柔性，其，其Tg。对称双取代侧基，可提高分子链柔顺性，使对称双取代侧基，可提高分子链柔顺性，使Tg。（3）相对分子质量的影响）相对分子质量的影响 规律：高聚物平均相对分子质量规律：高聚物平均相对分子质量，Tg；但当平均相对；但当平均相对 分子质量增加到一定程度时，玻璃化温度趋于某一定值。分子质量增加到一定程度时，

21、玻璃化温度趋于某一定值。（4）共聚的影响）共聚的影响 规律：共聚可以调整高聚物的玻璃化温度。其共聚物的规律：共聚可以调整高聚物的玻璃化温度。其共聚物的Tg介介 于两种（多种）均聚物之间。于两种（多种）均聚物之间。现在学习的是第16页，共60页双组分共聚物玻璃化温度的计算：双组分共聚物玻璃化温度的计算：7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变（4）共聚的影响）共聚的影响（5）交联的影响）交联的影响 规律：交联度越大，规律：交联度越大，Tg增加愈大增加愈大。或或（6）增塑剂的影响）增塑剂的影响规律：随着增塑剂加入量的增加，玻璃化温度下降。通常，规律：随着增塑剂加入量的增加，

22、玻璃化温度下降。通常，极性增塑剂加入到极性高聚物之中，非极性增塑剂加入极性增塑剂加入到极性高聚物之中，非极性增塑剂加入 到非极性高聚物之中。到非极性高聚物之中。（7）外界条件的影响）外界条件的影响外力作用时间与大小：外力越大和作用时间越长，外力作用时间与大小：外力越大和作用时间越长，Tg。升温速度：升温速度越快，升温速度：升温速度越快，Tg越高。越高。现在学习的是第17页，共60页图图7-5 7-5 结晶物质熔融过程的体积（或比热容）随温度的变化曲线结晶物质熔融过程的体积（或比热容）随温度的变化曲线7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变7.1.4 结晶高聚物的熔融与熔

23、点结晶高聚物的熔融与熔点 物质从结晶态转变为液态的过程称为熔融。物质从结晶态转变为液态的过程称为熔融。1、结晶高聚物的熔融过程、结晶高聚物的熔融过程l 熔点特点：熔点特点：现在学习的是第18页，共60页（1 1）结晶高聚物的熔融与低分子晶体一样，也是一个热力学相变）结晶高聚物的熔融与低分子晶体一样，也是一个热力学相变过程过程（2 2）高聚物的熔融是一个边熔融边升温的过程，因此，结晶高）高聚物的熔融是一个边熔融边升温的过程，因此，结晶高聚物具有一个熔融范围聚物具有一个熔融范围称为融限。称为融限。（3 3）高聚物的熔融与结晶温度有关。其熔点随结晶温度的升高而）高聚物的熔融与结晶温度有关。其熔点随结

24、晶温度的升高而升高，熔限随结晶温度的升高而变窄。升高，熔限随结晶温度的升高而变窄。7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变2、熔点、熔点Tmu 使用价值：晶态高聚物用于塑料和纤维时的最高使用温度，使用价值：晶态高聚物用于塑料和纤维时的最高使用温度，又是它们的耐热温度和成型加工的最低温度。又是它们的耐热温度和成型加工的最低温度。u 平衡状态下晶体完全消失的温度。平衡状态下晶体完全消失的温度。现在学习的是第19页，共60页7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变3、影响熔点的因素、影响熔点的因素（1）结晶温度的影响）结晶温度的影响 结晶结晶T，Tm也

25、也，熔限越窄；反之，则，熔限越窄；反之，则Tm，熔限越宽。，熔限越宽。（2）高分子结构的影响）高分子结构的影响u 分子间的作用力分子间的作用力 规律：在高分子主链或侧基上引入极性基团使分子间的作规律：在高分子主链或侧基上引入极性基团使分子间的作 用力用力，则，则Tm u分子链的柔性分子链的柔性 规律：分子链的柔性规律：分子链的柔性，则，则Tm。（3）稀释剂对熔点的影响）稀释剂对熔点的影响 在结晶性聚合物中加入稀释剂，如增塑剂或溶剂，也能使熔点在结晶性聚合物中加入稀释剂，如增塑剂或溶剂，也能使熔点降低，其降低的程度与稀释剂的性质与用量有关。降低，其降低的程度与稀释剂的性质与用量有关。现在学习的是

26、第20页，共60页图图7-7 7-7 各类流体的流动曲线各类流体的流动曲线aa牛顿流体；牛顿流体；bb膨胀性流体；膨胀性流体；cc假塑性流体；假塑性流体；dd宾汉流体宾汉流体7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变7.1.5 高聚物的粘流态高聚物的粘流态 绝大多数高聚物的成型加工都是在熔融状态（粘流态）下进行的。绝大多数高聚物的成型加工都是在熔融状态（粘流态）下进行的。高分子的流动不是简单的整个高分子高分子的流动不是简单的整个高分子链的迁移，而是通过链段的相继迁移链的迁移，而是通过链段的相继迁移来实现的，类似于蚯蚓的蠕动。来实现的，类似于蚯蚓的蠕动。1、高聚物熔体流动特

27、点、高聚物熔体流动特点(1)熔体粘度大，流动性差熔体粘度大，流动性差(2)熔体属非牛顿型流体熔体属非牛顿型流体u 牛顿型流体：低分子液体和高牛顿型流体：低分子液体和高分子的稀溶液分子的稀溶液 现在学习的是第21页，共60页u 假塑性流体：大多数的高聚物熔体及浓溶液假塑性流体：大多数的高聚物熔体及浓溶液 u 膨胀性流体：高浓度聚氯乙烯的悬浮溶液，玉米粉、膨胀性流体：高浓度聚氯乙烯的悬浮溶液，玉米粉、糖溶液及湿沙等高浓度的粉末悬浮液糖溶液及湿沙等高浓度的粉末悬浮液u 宾汉型流体：聚氯乙烯糊的凝胶体、牙膏等宾汉型流体：聚氯乙烯糊的凝胶体、牙膏等(3)(3)熔体流动伴有高弹形变熔体流动伴有高弹形变 即

28、高聚物流动中会发生部分是可逆形变。即高聚物流动中会发生部分是可逆形变。高弹形变的恢复过程也是一个松弛过程，恢复的快慢与高分子链高弹形变的恢复过程也是一个松弛过程，恢复的快慢与高分子链的柔顺性及温度有关。的柔顺性及温度有关。后果：高聚物在挤出成型中，其型材截面的实际尺寸比口模尺寸要大。后果：高聚物在挤出成型中，其型材截面的实际尺寸比口模尺寸要大。7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变现在学习的是第22页，共60页7.1 7.1 高聚物的物理状态及热转变高聚物的物理状态及热转变2、黏流温度、黏流温度Tf(1)定义及其应用定义及其应用 非晶态高聚物熔化后发生黏性流动的温度。

29、非晶态高聚物熔化后发生黏性流动的温度。使用价值：非晶态高聚物成型加工的最低温度，橡胶使用的最使用价值：非晶态高聚物成型加工的最低温度，橡胶使用的最高温度。高温度。(2)影响黏流温度的因素影响黏流温度的因素u 高分子结构的影响高分子结构的影响 凡是能提高高分子链柔顺性的结构因素均可使粘流温度下降凡是能提高高分子链柔顺性的结构因素均可使粘流温度下降：柔柔性性、刚性、刚性，Tf；u 平均相对分子质量的影响平均相对分子质量的影响 平均相对分子质量平均相对分子质量，内摩擦力，内摩擦力，Tf 。u 外界因素的影响外界因素的影响 增加外力大小及其作用时间，有利粘性流动，会使增加外力大小及其作用时间，有利粘性

30、流动，会使Tf。加入增塑剂可使加入增塑剂可使Tf。现在学习的是第23页，共60页7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能 聚合物的力学性能指的是其受力后的响应聚合物的力学性能指的是其受力后的响应，如形变大小、形变的可逆，如形变大小、形变的可逆性及抗破损性能等性及抗破损性能等。1、应变与应力、应变与应力 材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变化称材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变化称应变或形变应变或形变，通常以单位长度（面积、体积）所发生的变化来表征。通常以单位长度（面积、体积）所发生的变化来表征。材料在外力作用下发生形变的同时，在其内部还会产生对抗外力材料在外力作用下发

31、生形变的同时，在其内部还会产生对抗外力的附加内力，以使材料保持原状，当形变达到平衡时，材料单位面的附加内力，以使材料保持原状，当形变达到平衡时，材料单位面积上的附加内力称为积上的附加内力称为应力应力，其数值与单位面积上所受的外力相等。，其数值与单位面积上所受的外力相等。材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同，材料受力方式主材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同，材料受力方式主要有以下三种基本类型：要有以下三种基本类型：7.2.1 表征力学性能的基本指标表征力学性能的基本指标现在学习的是第24页，共60页7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能（1）简单拉伸（简单拉伸（drawing)：

32、材料受到一对材料受到一对垂直于材料截面垂直于材料截面、大小相等大小相等、方向相反方向相反并在并在同一直同一直线线上的外力作用。上的外力作用。材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸长率（应变，也称相对伸长率（e）。）。uu 拉伸应力：拉伸应力：拉伸应力：拉伸应力：=F F/A A0 0 （A A0 0为材料的起始截面为材料的起始截面为材料的起始截面为材料的起始截面积）积）积）积）uu 拉伸应变（相对伸长率）拉伸应变（相对伸长率）拉伸应变（相对伸长率）拉伸应变（相对伸长率）e e e e=（l l-l l0 0）/l l0 0=D D D Dl l/l

33、 l0 0简单拉伸示意图简单拉伸示意图A0l0lD D lAFF现在学习的是第25页，共60页7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能（2）简单剪切）简单剪切(shearing)A0FF 简单剪切示意图简单剪切示意图uu 剪切应变剪切应变剪切应变剪切应变 =tg=tg uu 剪切应力剪切应力剪切应力剪切应力 s s=F F/A A0 0u 材料经压缩以后，体积由材料经压缩以后，体积由V0缩小为缩小为V，则压缩应变：，则压缩应变：V=（V0-V）/V0=D DV/V0u 材料受到均匀压力压缩时发生的体积材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称形变称压缩应变（压缩应变（V）。）。（3）均匀压

34、缩（均匀压缩（pressurizing)材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条直线上材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条直线上的两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏斜角的正切值定义为的两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏斜角的正切值定义为剪剪切应变（切应变（）。）。A0均匀压缩示意图均匀压缩示意图现在学习的是第26页，共60页7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能 2、弹性模量（亦称刚度）、弹性模量（亦称刚度）（1）定义）定义 指在弹性形变范围内单位应变所需应力的大小。它表征高分子材料抵抗指在弹性形变范围内单位应变所需应力的大小。它表征高分子材料抵抗形变能力的大

35、小，形变能力的大小，弹性模量越大，越不容易变形，材料刚性越大。弹性模量越大，越不容易变形，材料刚性越大。（2）类型）类型 对于不同的受力方式，对应的模量分别为对于不同的受力方式，对应的模量分别为杨氏模量杨氏模量、剪切模量剪切模量和和体积模量，体积模量，可以表示为：可以表示为：u 杨氏模量（杨氏模量（Pa或或MPa）u 剪切模量（剪切模量（Pa或或MPa）u 体积模量（体积模量（N或或kN）现在学习的是第27页，共60页 式中：式中：称为泊松比，是反映高分子材料性质的重要参数。称为泊松比，是反映高分子材料性质的重要参数。一般材料的一般材料的=0.20.5，应变时若体积无变化（如：橡胶拉伸），则应

36、变时若体积无变化（如：橡胶拉伸），则=0.5，7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能（3）三种模量的关系）三种模量的关系 对于各向同性的材料而言，通过数学推导可得出上述三种模量之间的对于各向同性的材料而言，通过数学推导可得出上述三种模量之间的关系如下：关系如下：E=2G（1+）=3B（1-2）3、硬度、硬度 硬度是衡量材料表面抵抗机械压力能力的指标，可用以反硬度是衡量材料表面抵抗机械压力能力的指标，可用以反映材料承受应力而不发生形状变化的能力。映材料承受应力而不发生形状变化的能力。4、机械强度、机械强度 机械强度是指在一定条件下，高分子材料所能承受的最大应力，单位机械强度是指在一定条

37、件下，高分子材料所能承受的最大应力，单位为为MPa，是衡量高分子材料抵抗外力破坏的能力。，是衡量高分子材料抵抗外力破坏的能力。现在学习的是第28页，共60页7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能 根据外力作用方式不同，主要有以下三种：根据外力作用方式不同，主要有以下三种：（1）抗张强度（）抗张强度（t）衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。t的测定：的测定：在规定试验温度、湿度和实验在规定试验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸负荷，速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸负荷，直至试样被拉断。试样断裂前所受的最大负直至试样被拉断

38、。试样断裂前所受的最大负荷荷P与试样横截面积之比与试样横截面积之比：t =P/b d厚度厚度d宽度宽度bPP（2）抗弯抗弯强度（强度（f）也称挠曲强度或弯曲强度。也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度的测定是在规定的试验条件下，对标准试样施加一静止弯抗弯强度的测定是在规定的试验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。曲力矩，直至试样断裂。现在学习的是第29页，共60页7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能Pdbl0/2l0/2抗弯强度测定试验示意图抗弯强度测定试验示意图 设试验过程中最大的负荷为设试验过程中最大的负荷为P，则，则抗弯强度抗弯强度 f为：为：f =1.5Pl0/b

39、d2 冲击强度也称抗冲强度冲击强度也称抗冲强度,是衡量材料韧性是衡量材料韧性的一种指标。定义为试样受冲击负荷时单的一种指标。定义为试样受冲击负荷时单位截面积所吸收的能量。位截面积所吸收的能量。（3）冲击强度（）冲击强度（i）测定时基本方法与抗弯强度测定相似，测定时基本方法与抗弯强度测定相似，但其作用力是运动的。但其作用力是运动的。试样断裂时吸收的能量等于断裂时冲试样断裂时吸收的能量等于断裂时冲击头所做的功击头所做的功W，则冲击强度为：，则冲击强度为：i=W/bdPbl0/2l0/2d冲击头以一定速度冲击头以一定速度对试样实施冲击对试样实施冲击冲击强度测定试验示意图冲击强度测定试验示意图现在学习

40、的是第30页，共60页应变应力AYBA-弹性极限；Y-屈服点；B-断裂点7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能（1）线型非晶态高聚物的典型应力线型非晶态高聚物的典型应力-应应变曲线变曲线拉伸时高分子链的三种运动情况：拉伸时高分子链的三种运动情况：u 弹性形变（开始弹性形变（开始A点）点）应变随应力的增加而增大，服从虎应变随应力的增加而增大，服从虎克定律，具有普弹性能；克定律，具有普弹性能；7.2.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能1、线型非晶态高聚物的应力、线型非晶态高聚物的应力-应变曲线应变曲线运动单元为键长、键角。对应的运动单元为键长、键角。对应的 为弹性伸长极限。为弹性伸长极

41、限。u 强迫高弹形变（强迫高弹形变（A点点B点）点）中间经过屈服点中间经过屈服点Y，对应的，对应的 表示高聚物材料对抗永久形变的表示高聚物材料对抗永久形变的能力；形变量能力；形变量300%1000%，并且可逆；运动单元为链段。，并且可逆；运动单元为链段。u 黏流形变（黏流形变（B点后）点后）形变为不可逆（永久形变）；运动单元为链段、大分子链。形变为不可逆（永久形变）；运动单元为链段、大分子链。现在学习的是第31页，共60页（2 2）非晶态高聚物的六种应力）非晶态高聚物的六种应力-应变曲线与使用的关系应变曲线与使用的关系可以作为工程塑料的高聚物可以作为工程塑料的高聚物u材料硬而脆刚性制品，不宜冲

42、击，材料硬而脆刚性制品，不宜冲击，能承受静压力；能承受静压力；典型实例：酚醛塑料制品典型实例：酚醛塑料制品u材料硬而强高模量高抗张，断裂伸材料硬而强高模量高抗张，断裂伸 长小或无屈服长小或无屈服 典型实例：典型实例：PVCPVC硬制品硬制品u材料硬而韧高模量高抗张，断裂伸材料硬而韧高模量高抗张，断裂伸 长大，有屈服长大，有屈服 典型实例：聚碳酸酯典型实例：聚碳酸酯制品制品7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能现在学习的是第32页，共60页u 可以作为形变较大的材料可以作为形变较大的材料u材料软而韧材料软而韧低模量低屈服，断裂伸低模量低屈服，断裂伸 长率及强度大长率及强度大典型实例：硫

43、化橡胶、典型实例：硫化橡胶、LDPELDPE制品制品u材料软而弱材料软而弱低模量低强度，断裂伸低模量低强度，断裂伸 长率中等长率中等典型实例：未硫化天然橡胶典型实例：未硫化天然橡胶u材料弱而脆材料弱而脆一般为低聚物v 无使用价值的材料无使用价值的材料7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能现在学习的是第33页，共60页OYNDBOY段段 YN段段ND段段DB段段D点点OY段段YN段段ND段段D点点DB段段试样形状变化试样形状变化7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能2、未取向的晶态高聚物的应力未取向的晶态高聚物的应力-应变曲线应变曲线讨论：讨论：u 玻璃态和晶态高聚物的拉伸过

44、程相类似，只是产生高弹形变的玻璃态和晶态高聚物的拉伸过程相类似，只是产生高弹形变的温度范围不同；温度范围不同；u 在玻璃态高聚物中拉伸只使分子链发生取向，而在晶态高聚物在玻璃态高聚物中拉伸只使分子链发生取向，而在晶态高聚物中拉伸伴随着聚集态的变化，包含结晶熔化、取向、再结晶等中拉伸伴随着聚集态的变化，包含结晶熔化、取向、再结晶等 现在学习的是第34页，共60页7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能3、高聚物力学性能的影响因素、高聚物力学性能的影响因素（1）内在因素）内在因素u 高聚物的相对分子质量及分布高聚物的相对分子质量及分布 p 相对分子质量增大，高聚物强度明显增加，但增高到一定

45、程度后，相对分子质量增大，高聚物强度明显增加，但增高到一定程度后，影响不大，强度逐渐趋于一极限值。影响不大，强度逐渐趋于一极限值。p 相对分子质量分布对力学性能的影响不大，主要考虑低相对分子质量分布对力学性能的影响不大，主要考虑低聚物部分，低聚物部分增多，就会导致受力时的分子间断聚物部分，低聚物部分增多，就会导致受力时的分子间断裂而使强度下降。裂而使强度下降。u 高分子链的支化与交联高分子链的支化与交联p 高分子链的支化程度增加，其拉伸强度降低。高分子链的支化程度增加，其拉伸强度降低。p 高聚物的适度交联，可以有效地增加分子链间作用力，有高聚物的适度交联，可以有效地增加分子链间作用力，有利于强

46、度的提高。利于强度的提高。p 过度交联，在受外力时，会使应力集中反而强度降低。过度交联，在受外力时，会使应力集中反而强度降低。现在学习的是第35页，共60页7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能u 高聚物的结晶与取向高聚物的结晶与取向 p 结晶度的影响结晶度的影响 结晶度增加，高聚物的屈服应力、强度、模量和硬度等均有提高，结晶度增加，高聚物的屈服应力、强度、模量和硬度等均有提高，而断裂伸长率和冲击韧性则下降，结晶使高聚物变硬变脆。而断裂伸长率和冲击韧性则下降，结晶使高聚物变硬变脆。p 晶粒的尺寸和晶体结构的影响晶粒的尺寸和晶体结构的影响 大球晶使断裂伸长率和韧性降低；均匀小球晶能使材

47、料的强度、伸大球晶使断裂伸长率和韧性降低；均匀小球晶能使材料的强度、伸长率、模量和韧性等得到提高。纤维状晶体强度大于折叠晶体强度。长率、模量和韧性等得到提高。纤维状晶体强度大于折叠晶体强度。p 取向对强度的影响取向对强度的影响 取向使材料的力学性能产生各向异性能，增加取向方向上材料的强取向使材料的力学性能产生各向异性能，增加取向方向上材料的强度。度。现在学习的是第36页，共60页7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能（2）外在因素）外在因素u 低分子填充物低分子填充物 惰性填料往往使高聚物材料的强度降低。如加入碳酸钙惰性填料往往使高聚物材料的强度降低。如加入碳酸钙 适当填充活性填料可

48、以增加材料的强度。如橡胶填充炭黑、玻璃钢适当填充活性填料可以增加材料的强度。如橡胶填充炭黑、玻璃钢填充玻璃纤维等。填充玻璃纤维等。u 增塑剂增塑剂 增塑剂的加入能降低强度，但对脆性高聚物而言，少量加入低分子物增塑剂的加入能降低强度，但对脆性高聚物而言，少量加入低分子物质，能增加强度。质，能增加强度。u 材料本身的缺陷（杂质、气泡、降解物等造成微小裂纹）材料本身的缺陷（杂质、气泡、降解物等造成微小裂纹）当材料受到外力作用时，在缺陷处产生应力集中，致使材料断裂、当材料受到外力作用时，在缺陷处产生应力集中，致使材料断裂、破坏，使强度降低。破坏，使强度降低。3、高聚物增强的途径、高聚物增强的途径 在高

49、聚物中添加增强材料，可以有目的地提高高聚物的力学性能。如炭在高聚物中添加增强材料，可以有目的地提高高聚物的力学性能。如炭黑增强橡胶、纤维增强塑料、橡胶增强塑料等。黑增强橡胶、纤维增强塑料、橡胶增强塑料等。现在学习的是第37页，共60页7.2 7.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能 处于高弹态的高聚物呈现出具有高度的弹性形变能力，这种独特的力学处于高弹态的高聚物呈现出具有高度的弹性形变能力，这种独特的力学性能称为高弹性。性能称为高弹性。常见的高弹态材料如橡胶和类橡胶等。常见的高弹态材料如橡胶和类橡胶等。1、高弹性的主要特征、高弹性的主要特征（1）弹性模量小，弹性形变大）弹性模量小，弹性形变大（

50、2）弹性模量与温度成正比。）弹性模量与温度成正比。高弹态高聚物的弹性模量随温度高弹态高聚物的弹性模量随温度而而，金属材料则相反。，金属材料则相反。（3）形变时有明显的热效应）形变时有明显的热效应 高弹态材料拉伸时放热，材料自身温度会高弹态材料拉伸时放热，材料自身温度会；而压缩时吸热，材料自身；而压缩时吸热，材料自身温度会温度会。而一般金属材料则相反。而一般金属材料则相反。（4）形变与时间有关）形变与时间有关 通常，高弹态材料的形变总是落后于外力，即通常，高弹态材料的形变总是落后于外力，即形变需要时间形变需要时间。7.2.3 高聚物的高弹性高聚物的高弹性高聚物的高弹性高聚物的高弹性现在学习的是第