1、2.1 高分子材料的力學狀態高分子材料的力學狀態 物質的物理狀態物質的物理狀態 相相 態態凝膠態凝膠態熱力學概念熱力學概念動力學概念動力學概念凝膠態凝膠態 根據物質根據物質對對外場外場（外部作用）特別是外力場（外部作用）特別是外力場 的響應特性的響應特性劃分。劃分。 按物質按物質力學性能力學性能隨隨溫度溫度變化的特性劃分。變化的特性劃分。 力學狀態力學狀態2.1 高分子材料的力學狀態高分子材料的力學狀態 物質的力學三態物質的力學三態 氣氣態態 液液態態 固固態態溫度增加溫度增加 聚合物力學狀態具有特殊性。原因：聚合物力學狀態具有特殊性。原因： 沒有氣態；沒有氣態； 具有非晶態具有非晶態； 結晶

2、具有不完善性。結晶具有不完善性。熱機械曲線熱機械曲線（形變（形變- -溫度曲線）實驗示意溫度曲線）實驗示意2.1 高分子材料的力學狀態高分子材料的力學狀態等速升溫等速升溫 線型無定形線型無定形聚合物的力學三態及其轉變聚合物的力學三態及其轉變 2.1 高分子材料的力學狀態高分子材料的力學狀態 線形無定形聚合物的力學三態：線形無定形聚合物的力學三態：玻璃態玻璃態、高彈態高彈態、粘流態粘流態 玻璃態向高彈態轉變的溫度：玻璃態向高彈態轉變的溫度：玻璃化轉變溫（玻璃化轉變溫（Tg ）；）； 高彈態和粘流態之間的轉變溫度：高彈態和粘流態之間的轉變溫度： 粘流溫度（粘流溫度（Tf） 圖圖2.1 線型無定形高

3、聚物熱機械曲線線型無定形高聚物熱機械曲線 玻璃態玻璃態T40% 晶區互相銜接，晶區互相銜接，貫穿成連續相貫穿成連續相。觀察不到明顯的。觀察不到明顯的 非晶區玻璃化轉變現象。非晶區玻璃化轉變現象。 2.1 高分子材料的力學狀態高分子材料的力學狀態 圖圖2.2 高結晶度聚合物的熱機械曲線高結晶度聚合物的熱機械曲線 不呈現高彈態不呈現高彈態呈現高彈態呈現高彈態 結晶聚合物能否觀察到高彈態，取決于結晶聚合物能否觀察到高彈態，取決于聚合物的摩聚合物的摩爾平均質量爾平均質量。問題：問題：交聯、網狀聚合物是否有粘流態？交聯、網狀聚合物是否有粘流態？ Cross-linked 交聯交聯 Network（3D）

4、 網狀網狀答案：答案：不出現粘流態。不出現粘流態。2.1 高分子材料的力學狀態高分子材料的力學狀態 玻璃化轉變玻璃化轉變現象及現象及Tg的重要性的重要性 2.1 高分子材料的力學狀態高分子材料的力學狀態 玻璃化轉變是高聚物的一種玻璃化轉變是高聚物的一種普遍現象普遍現象。 發生玻璃化轉變時，許多物理性能發生急劇變化，可完全發生玻璃化轉變時，許多物理性能發生急劇變化，可完全 改變材料的使用性能改變材料的使用性能： TTg 時高聚物處于高彈態（彈性體）時高聚物處于高彈態（彈性體） TTg 時高聚物處于玻璃態（塑料、纖維）時高聚物處于玻璃態（塑料、纖維） Tg是決定材料使用范圍的重要參數：是決定材料使

5、用范圍的重要參數： Tg 是橡膠的最低使用溫度是橡膠的最低使用溫度 Tg 是塑料的最高使用溫度是塑料的最高使用溫度自由體積理論自由體積理論 表征材料力學性能的基本指標表征材料力學性能的基本指標2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能 應力應力- -應變應變 彈性模量彈性模量 - - 拉伸（楊氏）模量拉伸（楊氏）模量 剪切（剛性）模量剪切（剛性）模量 體積（本體）模量體積（本體）模量 硬度硬度 機械強度機械強度 - - 拉伸（抗張）強度拉伸（抗張）強度 彎曲強度彎曲強度 沖擊強度沖擊強度 應力應力-應變應變 應變（形變）：外力作用而不產生慣性移動時應變（形變）：外力作用而不產生慣性移動時

6、其其 幾何形狀幾何形狀和和尺寸尺寸所發生的變化。所發生的變化。 材料材料 發生形變發生形變 產生附加內力產生附加內力 內力使形變回復并自行逐步消除內力使形變回復并自行逐步消除 2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能 應力：單位面積上的應力：單位面積上的內力內力。外力作外力作用用材料材料欲保持欲保持原原狀狀外力外力卸載卸載 簡單拉伸示意圖簡單拉伸示意圖產生的形變產生的形變-拉伸形變拉伸形變/相對伸長率相對伸長率A0l0lD D lAFFA0FF 簡單剪切示意圖簡單剪切示意圖 剪切應力、剪切應變剪切應力、剪切應變 材料受力方式的基本類型材料受力方式的基本類型2.2 高分子材料的力學性能高

7、分子材料的力學性能A0FF三點彎曲三點彎曲一點彎曲一點彎曲FF扭轉扭轉均勻壓縮均勻壓縮體積形變體積形變 壓縮應變壓縮應變2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能電子萬能材料試驗機電子萬能材料試驗機實驗條件：一定拉伸速率和溫度實驗條件：一定拉伸速率和溫度2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能 應力應力-應變曲線應變曲線 標準啞標準啞鈴型試鈴型試樣樣 圖圖2.3 高分子材料三種典型的應力高分子材料三種典型的應力-應變曲線應變曲線2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能AAEDDAYBYielding point 屈服點屈服點Point of elastic limit 彈

8、性極限點彈性極限點Breaking point 斷裂點斷裂點ABAYBStrain softening 應變軟化應變軟化plastic deformation塑性形變塑性形變Strain hardening 應變硬化應變硬化 y yOND圖圖2.4 非晶態聚合物的應力非晶態聚合物的應力-應變曲線（玻璃態）應變曲線（玻璃態）2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能序號序號12345類型類型硬而脆硬而脆硬而強硬而強強而韌強而韌軟而韌軟而韌軟而弱軟而弱曲線曲線模量模量高高高高高高低低低低拉伸強度拉伸強度中中高高高高中中低低斷裂伸長率斷裂伸長率小

9、小中中大大很大很大中中斷裂能斷裂能小小中中大大大大小小實例實例PS PMMA酚醛樹脂酚醛樹脂硬硬PVC增韌增韌EPPC ABS HDPE硫化橡膠硫化橡膠軟軟PVC未硫化橡膠未硫化橡膠齊聚物齊聚物軟軟硬：模量硬：模量強強弱：拉伸強度弱：拉伸強度韌韌脆：斷裂能脆：斷裂能2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能 高彈性高彈性 高彈性的特點：高彈性的特點：2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能 聚合物（在聚合物（在Tg以上）處于高彈態時所表現出的獨特以上）處于高彈態時所表現出的獨特的力學性質，又稱橡膠彈性。的力學性質，又稱橡膠彈性。高彈態高彈態聚合物最重要的力學聚合物最重要的力學性能

10、性能 彈性模量小；彈性模量小；橡膠橡膠: 0.2-8 MPa鋼：鋼：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa 形變量一般形變量一般500%，可達，可達1000%。普通金屬材料的形。普通金屬材料的形變量變量1 形變量很大；形變量很大；2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能 高彈形變有時間依賴性，具有力學松弛特性高彈形變有時間依賴性，具有力學松弛特性高彈形變時分子運動需要時間高彈形變時分子運動需要時間 形變過程有明顯的熱效應形變過程有明顯的熱效應 彈性體：拉伸彈性體：拉伸放熱放熱 回縮回縮吸熱吸熱 溫度溫度 ，鏈段運動加劇，回縮力，鏈段運動加劇，回縮力 ，維

11、持相同形變所需，維持相同形變所需的作用力的作用力 抵抗變形的能力升高。抵抗變形的能力升高。 溫度溫度升高，升高，彈性模量彈性模量增大增大 ； 高彈性的本質高彈性的本質2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能高彈性由熵變引起高彈性由熵變引起拉伸彈性體時外力所做的功拉伸彈性體時外力所做的功主要轉為高分子鏈構象熵的減小主要轉為高分子鏈構象熵的減小體系為熱力學不穩定狀態體系為熱力學不穩定狀態去除外力體系回復到初始狀態去除外力體系回復到初始狀態熱力學第一定熱力學第一定律律熱力學第二定熱力學第二定律律熵彈性熵彈性 粘彈性粘彈性外力作用時，同時發生外力作用時，同時發生高彈變形高彈變形和和粘性流動粘性

12、流動。2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能聚合物最重要的力學性能聚合物最重要的力學性能之一之一Figure 2.5 Various types of strain response to an imposed stress. 靜態粘彈性靜態粘彈性 動態粘彈性動態粘彈性 蠕變蠕變 應力松弛應力松弛 聚合物粘彈性聚合物粘彈性：溫度、應力一定，隨時溫度、應力一定，隨時 間的延長形變增加。間的延長形變增加。 ：溫度、形變一定，應力溫度、形變一定，應力 隨時間延長而減小隨時間延長而減小。 2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能F力學松弛力學松弛行為行為 滯后滯后 力學損耗（內耗）力

13、學損耗（內耗）自學自學 圖圖2.6 蠕變、應力松弛示意圖蠕變、應力松弛示意圖. 蠕變過程包括蠕變過程包括 三種形變三種形變圖圖2-6 線形非晶態聚合物線形非晶態聚合物的的蠕變及回復曲線蠕變及回復曲線2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能普彈普彈形變形變1運動單元：鍵長、鍵角運動單元：鍵長、鍵角形變特點：形變量小，與時間無關，形變形變特點：形變量小，與時間無關，形變 可完全回復可完全回復高彈高彈形變形變2運動單元：鏈段運動單元：鏈段形變特點：形變量大，與時間有關，可逐形變特點：形變量大，與時間有關，可逐 漸回復漸回復粘性粘性流動流動3運動單元：分子鏈運動單元：分子鏈形變特點：不可逆形變

14、形變特點：不可逆形變 2+ 3t 3 3 1 2 1提提高材料抗蠕變性能的途徑高材料抗蠕變性能的途徑: : 蠕變大小反映了材料尺寸的蠕變大小反映了材料尺寸的穩定性穩定性和和長期負載能力長期負載能力。2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能a. a. 聚合物玻璃化溫度高于聚合物玻璃化溫度高于室溫室溫；b. b. 聚合物分子鏈含有苯環等聚合物分子鏈含有苯環等剛性鏈剛性鏈；c.c.交聯交聯: :可以防止分子間的相對滑移。可以防止分子間的相對滑移。 高分子材料的高分子材料的力學性能特點力學性能特點 強度低，強度低，比強度高比強度高;2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能 高彈性高彈性

15、，彈性模量低彈性模量低; 橡膠橡膠 典型的高彈性材料：彈性變形率為典型的高彈性材料：彈性變形率為100%1000% 彈性模量僅為彈性模量僅為1MPa 高耐磨性高耐磨性； 塑料的摩擦系數小，有些塑料具有自潤滑性能塑料的摩擦系數小，有些塑料具有自潤滑性能。 具有具有粘彈性粘彈性2.2 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能材材 料料 名名 稱稱比比 重重拉伸強度（拉伸強度（MPa）比比 強強 度度高級合金鋼高級合金鋼8.01280160鋁合金鋁合金2.8420160鑄鐵鑄鐵7.424032聚乙烯聚乙烯0.953031.6尼龍尼龍661.128374.1玻璃增強尼龍玻璃增強尼龍661.31.598

16、218143環氧玻璃鋼環氧玻璃鋼1.73500280玻璃增強聚乙烯玻璃增強聚乙烯1.16357.3表表2.1 幾種材料的幾種材料的機械強度機械強度 聚合物高電阻率聚合物高電阻率 可能積累大量靜電荷可能積累大量靜電荷 高絕緣性；高絕緣性； 低耐熱性；低耐熱性；通用高分子材料的耐熱溫度通用高分子材料的耐熱溫度 200 低導熱性：低導熱性：金屬的金屬的1/500-1/600 高化學穩定性；高化學穩定性； 高熱膨脹性：高熱膨脹性：比金屬大比金屬大3-10倍倍 2.3 高分子材料的物化性能特點高分子材料的物化性能特點 較易老化。較易老化。 高分子材料在貯存、使用過程中，由于自身結構，高分子材料在貯存、使

17、用過程中，由于自身結構， 或受或受光，熱，氧，機械力、生物侵蝕等光，熱，氧，機械力、生物侵蝕等影響，性能影響，性能 逐漸變壞，直至喪失使用價值的現象。逐漸變壞，直至喪失使用價值的現象。2.3 高分子材料的性能特點高分子材料的性能特點 防止老化措施：防止老化措施： 改變自身結構；改變自身結構； 加入防老化劑；加入防老化劑； 表面處理：鍍金屬或涂抗老化涂料。表面處理：鍍金屬或涂抗老化涂料。作業：作業：一、名詞術語解釋一、名詞術語解釋 1 1、結晶度、結晶度 2 2、玻璃化轉變溫度（、玻璃化轉變溫度（T Tg g） 3 3、粘流溫度（、粘流溫度（T Tf f） 4 4、應變、應變 5 5、蠕變、蠕變二、簡答二、簡答 1 1、高彈