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1、2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 物质的物理状态物质的物理状态 相相 态态凝胶态凝胶态热力学概念热力学概念动力学概念动力学概念凝胶态凝胶态 根据物质根据物质对对外场外场（外部作用）特别是外力场（外部作用）特别是外力场 的响应特性的响应特性划分。划分。按物质按物质力学性能力学性能随随温度温度变化的特性划分。变化的特性划分。力学状态力学状态第1页/共35页2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 物质的力学三态物质的力学三态 气气态态 液液态态 固固态态温度增加温度增加 聚合物力学状态具有特殊性。原因：聚合物力学状态具有特殊性。原因：没有气态；没有气态；具有非晶态具有非晶态
2、；结晶具有不完善性。结晶具有不完善性。第2页/共35页热机械曲线热机械曲线（形变（形变-温度曲线）实验示意温度曲线）实验示意2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态等速升温等速升温 线型无定形线型无定形聚合物的力学三态及其转变聚合物的力学三态及其转变 第3页/共35页2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 线形无定形聚合物的力学三态：线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态玻璃态、高弹态高弹态、粘流态粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（玻璃化转变温（Tg）；）；高弹态和粘流态之间的转变温度：高弹态和粘流态之间的转变温度：粘流温度（粘流温度（Tf
3、）图图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线线型无定形高聚物热机械曲线 第4页/共35页玻璃态玻璃态T40%晶区互相衔接，晶区互相衔接，贯穿成连续相贯穿成连续相。观察不到明显的。观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象。非晶区玻璃化转变现象。第9页/共35页2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 图图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线高结晶度聚合物的热机械曲线 不呈现高弹态不呈现高弹态呈现高弹态呈现高弹态 结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩聚合物的摩尔平均质量尔平均质量。第10页/共35页问题：问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？交联、网状聚合物是
4、否有粘流态？Cross-linked 交联交联 Network（3D）网状网状答案：答案：不出现粘流态。不出现粘流态。2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态第11页/共35页 玻璃化转变玻璃化转变现象及现象及Tg的重要性的重要性 2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 玻璃化转变是高聚物的一种玻璃化转变是高聚物的一种普遍现象普遍现象。发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能改变材料的使用性能：TTg 时高聚物处于高弹态（弹性体）时高聚物处于高弹态（弹性体）TTg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）
5、时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）Tg是决定材料使用范围的重要参数：是决定材料使用范围的重要参数：Tg 是橡胶的最低使用温度是橡胶的最低使用温度 Tg 是塑料的最高使用温度是塑料的最高使用温度自由体积理论自由体积理论第12页/共35页 表征材料力学性能的基本指标表征材料力学性能的基本指标2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 应力应力-应变应变 弹性模量弹性模量 -拉伸（杨氏）模量拉伸（杨氏）模量 剪切（刚性）模量剪切（刚性）模量 体积（本体）模量体积（本体）模量 硬度硬度 机械强度机械强度 -拉伸（抗张）强度拉伸（抗张）强度 弯曲强度弯曲强度 冲击强度冲击强度第13页/共35页 应力
6、应力-应变应变 应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时其其 几何形状几何形状和和尺寸尺寸所发生的变化。所发生的变化。材料材料 发生形变发生形变 产生附加内力产生附加内力 内力使形变回复并自行逐步消除内力使形变回复并自行逐步消除 2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 应力：单位面积上的应力：单位面积上的内力内力。外力作外力作用用材料材料欲保持欲保持原原状状外力外力卸载卸载第14页/共35页 简单拉伸示意图简单拉伸示意图产生的形变产生的形变-拉伸形变拉伸形变/相对伸长率相对伸长率A0l0lD D lAFFA0FF 简单剪切示意图简单剪切示意图
7、剪切应力、剪切应变剪切应力、剪切应变 材料受力方式的基本类型材料受力方式的基本类型2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能第15页/共35页A0FF三点弯曲三点弯曲一点弯曲一点弯曲FF扭转扭转均匀压缩均匀压缩体积形变体积形变 压缩应变压缩应变2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能第16页/共35页电子万能材料试验机电子万能材料试验机实验条件：一定拉伸速率和温度实验条件：一定拉伸速率和温度2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 应力应力-应变曲线应变曲线 Stress-strainStress-strain curvecurve 标准哑标准哑铃型试铃型试样样第17页/
8、共35页 图图2.3 高分子材料三种典型的应力高分子材料三种典型的应力-应变曲线应变曲线2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能第18页/共35页AYBYielding point 屈服点屈服点Point of elastic limit 弹性极限点弹性极限点Breaking point 断裂点断裂点Strain softening 应变软化应变软化plastic deformation塑性形变塑性形变Strain hardening 应变硬化应变硬化 y yOND图图2.4 非非晶态聚合物的应力晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）应变曲线（玻璃态）2.2 高分子材料的力学性能高分子材
9、料的力学性能第19页/共35页2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能第20页/共35页序号序号12345类型类型硬而脆硬而脆硬而强硬而强强而韧强而韧软而韧软而韧软而弱软而弱曲线曲线模量模量高高高高高高低低低低拉伸强度拉伸强度中中高高高高中中低低断裂伸长率断裂伸长率小小中中大大很大很大中中断裂能断裂能小小中中大大大大小小实例实例PS PMMA酚醛树脂酚醛树脂硬硬PVC增韧增韧EPPC ABS HDPE硫化橡胶硫化橡胶软软PVC未硫化橡胶未硫化橡胶齐聚物齐聚物软软硬：模量硬：模量强强弱：拉伸强度弱：拉伸强度韧韧脆：断裂能脆：断裂能2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能第21页/
10、共35页 高弹性高弹性 高弹性的特点：高弹性的特点：2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 聚合物（在聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特以上）处于高弹态时所表现出的独特的力学性质，又称橡胶弹性。的力学性质，又称橡胶弹性。高弹态高弹态聚合物最重要的力学聚合物最重要的力学性能性能 弹性模量小；弹性模量小；橡胶橡胶:0.2-8 MPa钢：钢：20000 MPa；HDPE:200 MPa；PS:2500 MPa 形变量一般形变量一般500%，可达，可达1000%。普通金属材料的形。普通金属材料的形变量变量1 形变量很大；形变量很大；第22页/共35页2.2 高分子材料的力学性能高
11、分子材料的力学性能 高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性高弹形变时分子运动需要时间高弹形变时分子运动需要时间 形变过程有明显的热效应形变过程有明显的热效应 弹性体：拉伸弹性体：拉伸放热放热 回缩回缩吸热吸热 温度温度，链段运动加剧，回缩力，链段运动加剧，回缩力，维持相同形变所需，维持相同形变所需的作用力的作用力 抵抗变形的能力升高。抵抗变形的能力升高。温度温度升高，升高，弹性模量弹性模量增大增大 ；第23页/共35页 高弹性的本质高弹性的本质2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能高弹性由熵变引起高弹性由熵变引起拉伸弹性体时外力所做的功拉伸弹性体
12、时外力所做的功主要转为高分子链构象熵的减小主要转为高分子链构象熵的减小体系为热力学不稳定状态体系为热力学不稳定状态去除外力体系回复到初始状态去除外力体系回复到初始状态热力学第一定热力学第一定律律热力学第二定热力学第二定律律熵弹性熵弹性第24页/共35页 粘弹性粘弹性外力作用时，同时发生外力作用时，同时发生高弹变形高弹变形和和粘性流动粘性流动。2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能聚合物最重要的力学性能聚合物最重要的力学性能之一之一Figure 2.5 Various types of strain response to an imposed stress.第25页/共35页 静态粘
13、弹性静态粘弹性 动态粘弹性动态粘弹性 蠕变蠕变 应力松弛应力松弛 聚合物粘弹性聚合物粘弹性：温度、应力一定，随时温度、应力一定，随时 间的延长形变增加。间的延长形变增加。：温度、形变一定，应力温度、形变一定，应力 随时间延长而减小随时间延长而减小。2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能F力学松弛力学松弛行为行为 滞后滞后 力学损耗（内耗）力学损耗（内耗）自学自学第26页/共35页 图图2.6 蠕变、应力松弛示意图蠕变、应力松弛示意图.第27页/共35页 蠕变过程包括蠕变过程包括 三种形变三种形变图图2-6 线形非晶态聚合物线形非晶态聚合物的的蠕变及回复曲线蠕变及回复曲线2.2 高分子
14、材料的力学性能高分子材料的力学性能普弹普弹形变形变1运动单元：键长、键角运动单元：键长、键角形变特点：形变量小，与时间无关，形变形变特点：形变量小，与时间无关，形变 可完全回复可完全回复高弹高弹形变形变2运动单元：链段运动单元：链段形变特点：形变量大，与时间有关，可逐形变特点：形变量大，与时间有关，可逐 渐回复渐回复粘性粘性流动流动3运动单元：分子链运动单元：分子链形变特点：不可逆形变形变特点：不可逆形变e e2+e e3te ee e3 3e e1e e2e e1第28页/共35页提提高材料抗蠕变性能的途径高材料抗蠕变性能的途径:蠕变大小反映了材料尺寸的蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性稳定性和
15、和长期负载能力长期负载能力。2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能a.a.聚合物玻璃化温度高于聚合物玻璃化温度高于室温室温；b.b.聚合物分子链含有苯环等聚合物分子链含有苯环等刚性链刚性链；c.c.交联交联:可以防止分子间的相对滑移。可以防止分子间的相对滑移。第29页/共35页 高分子材料的高分子材料的力学性能特点力学性能特点 强度低，强度低，比强度高比强度高;2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 高弹性高弹性，弹性模量低弹性模量低;橡胶橡胶 典型的高弹性材料：弹性变形率为典型的高弹性材料：弹性变形率为100%1000%弹性模量仅为弹性模量仅为1MPa 高耐磨性高耐磨性；
16、塑料的摩擦系数小，有些塑料具有自润滑性能塑料的摩擦系数小，有些塑料具有自润滑性能。具有具有粘弹性粘弹性第30页/共35页2.2 高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能材材 料料 名名 称称比比 重重拉伸强度（拉伸强度（MPa）比比 强强 度度高级合金钢高级合金钢8.01280160铝合金铝合金2.8420160铸铁铸铁7.424032聚乙烯聚乙烯0.953031.6尼龙尼龙661.128374.1玻璃增强尼龙玻璃增强尼龙661.31.598218143环氧玻璃钢环氧玻璃钢1.73500280玻璃增强聚乙烯玻璃增强聚乙烯1.16357.3表表2.1 几种材料的几种材料的机械强度机械强度第31页
17、/共35页 聚合物高电阻率聚合物高电阻率 可能积累大量静电荷可能积累大量静电荷 高绝缘性；高绝缘性；低耐热性；低耐热性；通用高分子材料的耐热温度通用高分子材料的耐热温度 200 低导热性：低导热性：金属的金属的1/500-1/600 高化学稳定性；高化学稳定性；高热膨胀性：高热膨胀性：比金属大比金属大3-10倍倍 2.3 高分子材料的物化性能特点高分子材料的物化性能特点第32页/共35页 较易老化。较易老化。高分子材料在贮存、使用过程中，由于自身结构，高分子材料在贮存、使用过程中，由于自身结构，或受或受光，热，氧，机械力、生物侵蚀等光，热，氧，机械力、生物侵蚀等影响，性能影响，性能 逐渐变坏，
18、直至丧失使用价值的现象。逐渐变坏，直至丧失使用价值的现象。2.3 高分子材料的性能特点高分子材料的性能特点 防止老化措施：防止老化措施：改变自身结构；改变自身结构；加入防老化剂；加入防老化剂；表面处理：镀金属或涂抗老化涂料。表面处理：镀金属或涂抗老化涂料。第33页/共35页作业：作业：一、名词术语解释一、名词术语解释 1 1、结晶度、结晶度 2 2、玻璃化转变温度（、玻璃化转变温度（T Tg g）3 3、粘流温度（、粘流温度（T Tf f）4 4、应变、应变 5 5、蠕变、蠕变二、简答二、简答 1 1、高弹性为什么又称为熵弹性？、高弹性为什么又称为熵弹性？2 2、简要阐述聚合物的粘弹性。、简要阐述聚合物的粘弹性。3 3、描述高分子材料的软硬、强弱和韧脆的指标分别是什么？、描述高分子材料的软硬、强弱和韧脆的指标分别是什么？4 4、请说明非晶态聚合物力学三态的运动单元。、请说明非晶态聚合物力学三态的运动单元。三、论述题三、论述题 1 1、画出塑料材料的应力应变曲线，并对其进行描述？、画出塑料材料的应力应变曲线，并对其进行描述？2 2、高分子材料的使用温度同玻璃化转变温度有什么关系？、高分子材料的使用温度同玻璃化转变温度有什么关系？第34页/共35页感谢您的观看。感谢您的观看。第35页/共35页