玻璃狀態的力學性能

玻璃狀態的力學性能

1力學性能是指物體受外力作用后產生的形變及抵抗破壞的能力◆靜態力學性能：以一定速度緩慢作用時的力學特性（拉伸、壓縮、彎曲、直接剪切）◆動態力學性能：靜態力學之外的力學特性（沖擊、摩擦、磨耗）力學性能是指物體受外力作用后產生的形變及抵抗破壞的能力◆靜態2應力與應變：材料形變時會產生附加內力來抵抗外力，力圖使材料恢復形變前的狀態。這種附加力稱為應力。拉伸變形抗張應力：抗張應變：其比例常數為抗張彈性模量，也稱楊氏模量，它表征了物體變形的難易程度，E越大變形越難。

對于理想彈性體來說，在彈性極限內，應變正比于應力，服從虎克定律：σ=Eε。應力與應變：材料形變時會產生附加內力來抵抗外力，力圖拉伸變形3

剪切變形σs為剪切應力；

εs為剪切應變2.壓縮變形

P為單位面積上的靜壓力；V為初始體積；△V為體積變化。剪切變形2.壓縮變形4模量：理想彈性體的應力與應變遵從虎克定律

E=σ/εE稱為楊氏模量

G=σ/S/DG稱為切變模量柔量：模量的倒數簡單剪切示意圖模量：理想彈性體的應力與應變遵從虎克定律簡單剪切示意圖51.1應力-應變曲線聚合物材料的破壞過程常伴有不可逆形變（即流動），不能用上述僅反應小形變特性的模量來表達，通常以應力-應變曲線來反應這一過程。1.1應力-應變曲線聚合物材料的破壞過程常伴有不可逆形變（6應力-應變綜合曲線A

彈性極限應變A彈性極限應力B

斷裂伸長率B斷裂強度

Y

屈服應力Y：屈服點彈性極限點斷裂點應力-應變綜合曲線A彈性極限應變A彈性極限應力Y：7彈性形變屈服應變軟化冷拉應變硬化斷裂形變過程彈性形變屈服應變軟化冷拉應變硬化斷裂形變過程8脆性斷裂和韌性斷裂

材料破壞有二種方式，可從拉伸應力—應變曲線的形狀和破壞的斷面形狀來區分：脆性破壞:①試樣在出現屈服點之前斷裂②斷裂表面光滑韌性破壞:①試樣在拉伸過程中有明顯屈服點和頸縮現象②斷裂表面粗糙脆性斷裂和韌性斷裂材料破壞有二種方式，可從拉伸應力—應變9拉伸應力曲線反映的材料的力學性質力學參量力學性質

彈性模量剛性屈服點彈性斷裂伸長延性屈服應力強度（或斷裂強度、抗拉強度）應力應變曲線下部的面積韌性彈性線下部的面積回彈性拉伸應力曲線反映的材料的力學性質力學參量10不同類型的應力－應變曲線不同類型的應力－應變曲線11聚合物力學類型軟而弱軟而韌硬而脆硬而強硬而韌聚合物應力—應變曲線應力應變曲線特點模量（剛性）低低高高高屈服應力（強度）低低高高高極限強度（強度）低中高高斷裂伸長（延性）中等按屈服應力低中高應力應變曲線下面積（韌）小中小中大實例聚合物凝膠橡膠.增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固化酚醛樹脂斷裂前無塑性形變斷裂前有銀紋硬PVCABS.PC.PE.PA有明顯的屈服和塑性形變.韌性好聚合物力學類型軟而弱軟而韌硬而脆硬而強硬而韌聚合物應力應模12強度是指物質抵抗破壞的能力拉伸外力拉伸強度彎曲力矩抗彎強度沖擊載荷沖擊強度拉伸模量彎曲模量1.2

強度與破壞壓力壓縮強度硬度強度是指物質抵抗破壞的能力拉伸外力拉伸強度彎曲力矩抗彎強度沖13材料的斷裂方式分析聚合物材料的破壞可能是高分子主鏈的化學鍵斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。化學鍵拉斷15000MPa分子間滑脫5000MPa分子間扯離氫鍵500MPa范德華力100MPa理論值材料的斷裂方式分析聚合物材料的破壞可能是高分子主鏈的化學鍵斷14在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強度在幾千MPa，而實際只有幾十Mpa。e.g.PA,60MPaPPO,70MPa理論值與實驗結果相差原因樣條存在缺陷應力集中在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強度在幾千MPa151.3影響聚合強度的因素內因：高分子鏈結構（組成、分子量及分子量分布、支化和交聯）、結晶與取向、增塑劑、共混、填料、應力集中外因：溫度、濕度、作用力的速度等重點1.3影響聚合強度的因素內因：高分子鏈結構（組成、分子量及161高聚物的結構（1）高分子鏈結構主鏈的化學鍵力和分子間作用力大，聚合物強度高。增加分子的極性或產生氫鍵可以提高聚合物強度。HDPE拉伸強度15-16MPa;PVC拉伸強度50MPa;PA610拉伸強度60MPa;PA66拉伸強度80MPa-氫鍵密度比PA610大含有芳雜環的高聚物，強度和模量高芳香尼龍比普通尼龍的強度和模量高；PS的強度和模量比PE高1高聚物的結構（1）高分子鏈結構17分子鏈支化程度增加，使分子間作用力減弱，聚合物拉伸強度下降，但沖擊強度增高。

LDPE拉伸強度比HDPE低適度的交聯大的形變，強度增高。能提高分子鏈間的聯系，使分子鏈不易滑動。交聯度增加，不易發生

PE交聯后，拉伸強度提高1倍，沖擊強度提高3-4倍分子量低，拉伸強度和沖擊強度低；分子量增加，拉伸強度和沖擊強度增高；分子量超過一定程度，拉伸強度變化不大，但沖擊強度繼續增加分子鏈支化程度增加，使分子間作用力減弱，聚合物拉伸強度下降，18（2）結晶和取向結晶度增加，拉伸強度、彎曲強度和模量增加，但沖擊強度和斷裂伸長率降低。取向使高聚物沿取向方向的強度提高幾倍甚至幾十倍。（2）結晶和取向19（3）應力集中材料存在缺陷，受力時材料內部的應力平均分布狀態將發生變化，使缺陷附近局部范圍內的應力急劇增加，遠遠超過平均值，稱為應力集中。缺陷就是應力集中物，包括裂縫、孔隙、缺口、銀紋、雜質等，它們成為材料破壞的薄弱環節，嚴重降低材料的強度。銀紋如果不發展為裂紋，對材料的沖擊強度提高有貢獻（3）應力集中材料存在缺陷，受力時材料內部的應力平均分布狀態20（4）增塑劑增塑劑：具有低揮發性的低分子量有機物或柔性高分子——酯類、醇類、聚酯、丙烯氰，丁二烯共聚物、氯化石蠟等，能降低聚合物體系的黏度及聚合物的玻璃化溫度，彈性模量、屈服應力、抗張強度，但斷裂伸長與沖擊強度則上升。（4）增塑劑增塑劑：具有低揮發性的低分子量有機物或柔性高分21◆種類：1）極性增塑劑——改變極性基團間的作用，使次價交聯點數目下降，柔性提高。效率與其摩爾分數成正比。水對淀粉塑料的增塑（穩定性較差----揮發）、甘油對大豆蛋白等生物質塑料的增塑料等----斷裂升長率增加，楊氏模量、拉伸強度、玻璃化溫度等下降。2）非極性增塑劑——隔離非極性高聚物分子鏈間的作用，使次價下降，柔性提高，效率與其體積分數成正比。如鄰苯二甲酸二丁（辛）酯等對聚苯乙烯、聚氯乙烯等包裝塑料的增塑。◆種類：22◆選擇條件：1.互溶性；2.有效性；耐久性；

4.環保性——白色垃圾——降解性塑料

A.光降解塑料（60-600天降解）：

1.共聚型（與CO、乙烯基酮共聚，引入羰基等“發色基”或“弱鍵”）。

2.添加型（加入少量廉價引發劑或光敏劑如長鏈烷基二茂鐵衍生物、胺烷基二茂鐵衍生物等）。

B.生物降解（50-70天降解）：

1.完全生物降解——生物發酵、化學合成、動植物天然高分子、添加天然高分子或礦物質。2001年食油與淀粉制玩具(Mattle公司---全球最大的塑料玩具制造商）

2.生物崩壞型。◆選擇條件：1.互溶性；2.有效性；耐久性；23活性粒子增強高聚物橡膠+碳黑增強機理：活性粒子吸附大分子，形成鏈間物理交聯，活性粒子起物理交聯點的作用。（5）填料活性粒子增強高聚物橡膠+碳黑增強機理：活性粒子吸附大分子，形24纖維增強Glasssteelboatglassyfiber+polyester增強機理：纖維作為骨架幫助基體承擔載荷例：尼龍+玻纖/碳纖維/晶須/硼纖維增強效果與纖維的長度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關纖維增強Glasssteelboat增強機理：纖維作為骨252.外界條件外力作用速度：2.外界條件外力作用速度：26玻璃狀態的力學性能

玻璃狀態的力學性能

27力學性能是指物體受外力作用后產生的形變及抵抗破壞的能力◆靜態力學性能：以一定速度緩慢作用時的力學特性（拉伸、壓縮、彎曲、直接剪切）◆動態力學性能：靜態力學之外的力學特性（沖擊、摩擦、磨耗）力學性能是指物體受外力作用后產生的形變及抵抗破壞的能力◆靜態28應力與應變：材料形變時會產生附加內力來抵抗外力，力圖使材料恢復形變前的狀態。這種附加力稱為應力。拉伸變形抗張應力：抗張應變：其比例常數為抗張彈性模量，也稱楊氏模量，它表征了物體變形的難易程度，E越大變形越難。

對于理想彈性體來說，在彈性極限內，應變正比于應力，服從虎克定律：σ=Eε。應力與應變：材料形變時會產生附加內力來抵抗外力，力圖拉伸變形29

剪切變形σs為剪切應力；

εs為剪切應變2.壓縮變形

P為單位面積上的靜壓力；V為初始體積；△V為體積變化。剪切變形2.壓縮變形30模量：理想彈性體的應力與應變遵從虎克定律

E=σ/εE稱為楊氏模量

G=σ/S/DG稱為切變模量柔量：模量的倒數簡單剪切示意圖模量：理想彈性體的應力與應變遵從虎克定律簡單剪切示意圖311.1應力-應變曲線聚合物材料的破壞過程常伴有不可逆形變（即流動），不能用上述僅反應小形變特性的模量來表達，通常以應力-應變曲線來反應這一過程。1.1應力-應變曲線聚合物材料的破壞過程常伴有不可逆形變（32應力-應變綜合曲線A

彈性極限應變A彈性極限應力B

斷裂伸長率B斷裂強度

Y

屈服應力Y：屈服點彈性極限點斷裂點應力-應變綜合曲線A彈性極限應變A彈性極限應力Y：33彈性形變屈服應變軟化冷拉應變硬化斷裂形變過程彈性形變屈服應變軟化冷拉應變硬化斷裂形變過程34脆性斷裂和韌性斷裂

材料破壞有二種方式，可從拉伸應力—應變曲線的形狀和破壞的斷面形狀來區分：脆性破壞:①試樣在出現屈服點之前斷裂②斷裂表面光滑韌性破壞:①試樣在拉伸過程中有明顯屈服點和頸縮現象②斷裂表面粗糙脆性斷裂和韌性斷裂材料破壞有二種方式，可從拉伸應力—應變35拉伸應力曲線反映的材料的力學性質力學參量力學性質

彈性模量剛性屈服點彈性斷裂伸長延性屈服應力強度（或斷裂強度、抗拉強度）應力應變曲線下部的面積韌性彈性線下部的面積回彈性拉伸應力曲線反映的材料的力學性質力學參量36不同類型的應力－應變曲線不同類型的應力－應變曲線37聚合物力學類型軟而弱軟而韌硬而脆硬而強硬而韌聚合物應力—應變曲線應力應變曲線特點模量（剛性）低低高高高屈服應力（強度）低低高高高極限強度（強度）低中高高斷裂伸長（延性）中等按屈服應力低中高應力應變曲線下面積（韌）小中小中大實例聚合物凝膠橡膠.增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固化酚醛樹脂斷裂前無塑性形變斷裂前有銀紋硬PVCABS.PC.PE.PA有明顯的屈服和塑性形變.韌性好聚合物力學類型軟而弱軟而韌硬而脆硬而強硬而韌聚合物應力應模38強度是指物質抵抗破壞的能力拉伸外力拉伸強度彎曲力矩抗彎強度沖擊載荷沖擊強度拉伸模量彎曲模量1.2

強度與破壞壓力壓縮強度硬度強度是指物質抵抗破壞的能力拉伸外力拉伸強度彎曲力矩抗彎強度沖39材料的斷裂方式分析聚合物材料的破壞可能是高分子主鏈的化學鍵斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。化學鍵拉斷15000MPa分子間滑脫5000MPa分子間扯離氫鍵500MPa范德華力100MPa理論值材料的斷裂方式分析聚合物材料的破壞可能是高分子主鏈的化學鍵斷40在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強度在幾千MPa，而實際只有幾十Mpa。e.g.PA,60MPaPPO,70MPa理論值與實驗結果相差原因樣條存在缺陷應力集中在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強度在幾千MPa411.3影響聚合強度的因素內因：高分子鏈結構（組成、分子量及分子量分布、支化和交聯）、結晶與取向、增塑劑、共混、填料、應力集中外因：溫度、濕度、作用力的速度等重點1.3影響聚合強度的因素內因：高分子鏈結構（組成、分子量及421高聚物的結構（1）高分子鏈結構主鏈的化學鍵力和分子間作用力大，聚合物強度高。增加分子的極性或產生氫鍵可以提高聚合物強度。HDPE拉伸強度15-16MPa;PVC拉伸強度50MPa;PA610拉伸強度60MPa;PA66拉伸強度80MPa-氫鍵密度比PA610大含有芳雜環的高聚物，強度和模量高芳香尼龍比普通尼龍的強度和模量高；PS的強度和模量比PE高1高聚物的結構（1）高分子鏈結構43分子鏈支化程度增加，使分子間作用力減弱，聚合物拉伸強度下降，但沖擊強度增高。

LDPE拉伸強度比HDPE低適度的交聯大的形變，強度增高。能提高分子鏈間的聯系，使分子鏈不易滑動。交聯度增加，不易發生

PE交聯后，拉伸強度提高1倍，沖擊強度提高3-4倍分子量低，拉伸強度和沖擊強度低；分子量增加，拉伸強度和沖擊強度增高；分子量超過一定程度，拉伸強度變化不大，但沖擊強度繼續增加分子鏈支化程度增加，使分子間作用力減弱，聚合物拉伸強度下降，44（2）結晶和取向結晶度增加，拉伸強度、彎曲強度和模量增加，但沖擊強度和斷裂伸長率降低。取向使高聚物沿取向方向的強度提高幾倍甚至幾十倍。（2）結晶和取向45（3）應力集中材料存在缺陷，受力時材料內部的應力平均分布狀態將發生變化，使缺陷附近局部范圍內的應力急劇增加，遠遠超過平均值，稱為應力集中。缺陷就是應力集中物，包括裂縫、孔隙、缺口、銀紋、雜質等，它們成為材料破壞的薄弱環節，嚴重降低材料的強度。銀紋如果不發展為裂紋，對材料的沖擊強度提高有貢獻（3）應力集中材料存在缺陷，受力時材料內部的應力平均分布狀態46（4）增塑劑增塑劑：具有低揮發性的低分子量有機物或柔性高分子——酯類、醇類、聚酯、丙烯氰，丁二烯共聚物、氯化石蠟等，能降低聚合物體系的黏度及聚合物的玻璃化溫度，彈性模量、屈服應力、抗張強度，但斷裂伸長與沖擊強度則上升。（4）增塑劑增塑劑：具有低揮發性的低分子量有機物或柔性高分47◆種類：1）極性增塑劑——改變極性基團間的作用，使次價交聯點數目下降，柔性提高。效率與其摩爾分數成正比。水對淀粉塑料的增塑（穩定性較差----揮發）、甘油對大豆蛋白等生物質塑料的增塑料等----斷裂升長率