5高聚物的力学性能上解析.pptx
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1、第五章第五章 高聚物的力学性能高聚物的力学性能第一节第一节 概述概述第二节第二节 高聚物的高弹性高聚物的高弹性第三节第三节 高聚物的粘弹性高聚物的粘弹性第四节第四节 高聚物的屈服、断裂与强度高聚物的屈服、断裂与强度第一节第一节 概述概述1-1表征力学性能的基本物理量表征力学性能的基本物理量1-2 高聚物力学性能的特点高聚物力学性能的特点1-1 表征材料力学性能的基本物理量表征材料力学性能的基本物理量受受力力方方式式简单拉伸简单拉伸简单剪切简单剪切均匀压缩均匀压缩参数参数受受力力特特点点外力外力F是与截面是与截面垂直,大小相等,垂直,大小相等,方向相反,作用方向相反,作用在同一直线上的在同一直线
2、上的两个力。两个力。外力外力F是与界面是与界面平行,大小相等,平行,大小相等,方向相反的两个方向相反的两个力。力。材料受到的材料受到的是围压力。是围压力。FFFF应变应变张应变:张应变:真应变:真应变:切应变:切应变:是偏斜角是偏斜角压缩应变:压缩应变:应力应力张应力:张应力:真应力:真应力:切应力:切应力:压力压力P弹弹性性模模量量杨氏模量:杨氏模量:泊松比:泊松比:切变模量:切变模量:体积模量:体积模量:柔柔量量拉伸柔量:拉伸柔量:切变柔量:切变柔量:可压缩度:可压缩度:机械机械强度强度1-2 高聚物力学性能的特点高聚物力学性能的特点1高聚物材料具有所有已知材料可变性范高聚物材料具有所有已
3、知材料可变性范围最宽的力学性质,包括从液体、软橡皮围最宽的力学性质,包括从液体、软橡皮到很硬的固体,各种高聚物对于机械应力到很硬的固体,各种高聚物对于机械应力的反应相差很大,例如:的反应相差很大,例如:PS制品很脆,一敲就碎(制品很脆,一敲就碎(脆性脆性)尼龙制品很坚韧,不易变形,也不易尼龙制品很坚韧,不易变形,也不易破碎(破碎(韧性韧性)轻度交联的橡胶拉伸时,可伸长好几轻度交联的橡胶拉伸时,可伸长好几倍,力解除后基本恢复原状(倍,力解除后基本恢复原状(弹性弹性)胶泥变形后,却完全保持新的形状胶泥变形后,却完全保持新的形状(粘性)(粘性)高聚物力学性质的这种多样性,为不高聚物力学性质的这种多样
4、性,为不同的应用提供了广阔的选择余地。同的应用提供了广阔的选择余地。2.高聚物力学性能的最大特点是高聚物力学性能的最大特点是 高弹性和粘弹性高弹性和粘弹性(1)高聚物的高弹性)高聚物的高弹性:是由于高聚物极:是由于高聚物极大的分子量使得高分子链有许多不同的大的分子量使得高分子链有许多不同的构象,而构象的改变导致高分子链有其构象,而构象的改变导致高分子链有其特有的柔顺性。链柔性在性能上的表现特有的柔顺性。链柔性在性能上的表现就是高聚物的高弹性。它与一般材料的就是高聚物的高弹性。它与一般材料的普弹性的差别就是因为普弹性的差别就是因为构象的改变构象的改变;形;形变时构象熵减小,恢复时增加。内能在变时
5、构象熵减小,恢复时增加。内能在高弹性形变中不起主要作用(它却是普高弹性形变中不起主要作用(它却是普弹形变的主要起因)弹形变的主要起因)(2)高聚物的粘弹性)高聚物的粘弹性:指高聚物材料不:指高聚物材料不但具有弹性材料的一般特性,同时还但具有弹性材料的一般特性,同时还具有粘性流体的一些特性。具有粘性流体的一些特性。弹性和粘弹性和粘性在高聚物材料身上同时呈现得特别性在高聚物材料身上同时呈现得特别明显。明显。高聚物的粘弹性表现在它有突出的力高聚物的粘弹性表现在它有突出的力学松弛现象,在研究它的力学性能时学松弛现象,在研究它的力学性能时必须考虑应力、应变与时间的关系。必须考虑应力、应变与时间的关系。温
6、度对力学性能也是非常重要的因素温度对力学性能也是非常重要的因素第二节第二节 高聚物的高弹性高聚物的高弹性2-1 高弹性的特点高弹性的特点2-2 平衡态高弹性热力学分析平衡态高弹性热力学分析2-3 橡胶弹性的统计理论橡胶弹性的统计理论2-4 橡胶的使用温度橡胶的使用温度 2-1 高弹性的特点高弹性的特点高弹态是高聚物所特有的,是基于链段高弹态是高聚物所特有的,是基于链段运动的一种力学状态,可以通过高聚物运动的一种力学状态,可以通过高聚物在一定条件下,通过玻璃化转变而达到在一定条件下,通过玻璃化转变而达到处于高弹态的高聚物表现出独特的力学处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能性能高弹性高弹性这是高
7、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高弹性的特点:高弹性的特点:TTgTTg,高聚物处于高弹性,高聚物处于高弹性弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量 E E E E 很小;形变很小;形变很小;形变很小;形变很大;可逆很大;可逆很大;可逆很大;可逆弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量 E E E E 随温度随温度随温度随温度而而而而弹性形变的过程是一个松弛过程弹性形变的过程是一个松弛过程弹性形变的过程是一个松弛过程弹性形变的过程是一个松弛过程 即形变需要一定的时间即形变需要一定的时间即形变需要一定的时间即形变需要一定的时间形变过程具有明显的热效应,拉伸形变过程具有明显的热效应,
8、拉伸形变过程具有明显的热效应,拉伸形变过程具有明显的热效应,拉伸放热;放热;放热;放热;回缩回缩回缩回缩吸热(与金属材料相反)吸热(与金属材料相反)吸热(与金属材料相反)吸热(与金属材料相反)2-2 平衡态高弹形变的热力学分析平衡态高弹形变的热力学分析高弹形变可分为平衡态形变(可逆)高弹形变可分为平衡态形变(可逆)和非平衡态形变(不可逆)两种和非平衡态形变(不可逆)两种假设橡胶被拉伸时发生高弹形变,除假设橡胶被拉伸时发生高弹形变,除去外力后可完全回复原状,即变形是去外力后可完全回复原状,即变形是可逆的,所以可用热力学第一定律和可逆的,所以可用热力学第一定律和第二定律来进行分析第二定律来进行分析
9、2-3 橡胶弹性的统计理论1孤立柔性高分子链的构象熵孤立柔性高分子链的构象熵2橡胶交联网形变过程的熵变橡胶交联网形变过程的熵变3交联网的状态方程交联网的状态方程 (应力(应力应变关系)应变关系)4 4状态方程的偏差及其修正状态方程的偏差及其修正2-4 橡胶的使用温度橡胶的使用温度在高于一定温度时,橡胶由于老化而在高于一定温度时,橡胶由于老化而失去弹性;在低于一定温度时,橡胶失去弹性;在低于一定温度时,橡胶由于玻璃化而失去弹性。由于玻璃化而失去弹性。如何改善橡胶的耐热性和耐寒性,即如何改善橡胶的耐热性和耐寒性,即扩大其使用温度的范围是十分重要的。扩大其使用温度的范围是十分重要的。Rubber p
10、roducts一.改善高温耐老化性能,提高耐热性改善高温耐老化性能,提高耐热性 硫化的橡胶具有交联的网状结构,除非分子链硫化的橡胶具有交联的网状结构,除非分子链硫化的橡胶具有交联的网状结构,除非分子链硫化的橡胶具有交联的网状结构,除非分子链断裂或交联链破坏,否则不会流动的,硫化橡断裂或交联链破坏,否则不会流动的,硫化橡断裂或交联链破坏,否则不会流动的,硫化橡断裂或交联链破坏,否则不会流动的,硫化橡胶耐热性似乎是好的。但实际硫化橡胶在胶耐热性似乎是好的。但实际硫化橡胶在胶耐热性似乎是好的。但实际硫化橡胶在胶耐热性似乎是好的。但实际硫化橡胶在120120已难以保持其物理机械性能已难以保持其物理机械
11、性能已难以保持其物理机械性能已难以保持其物理机械性能,170180170180时已失时已失时已失时已失去使用价值,为什么呢?去使用价值,为什么呢?去使用价值,为什么呢?去使用价值,为什么呢?橡胶主链中含有大量双键,易被臭氧破坏而裂橡胶主链中含有大量双键,易被臭氧破坏而裂橡胶主链中含有大量双键,易被臭氧破坏而裂橡胶主链中含有大量双键,易被臭氧破坏而裂解,双键旁的解,双键旁的解,双键旁的解,双键旁的 次甲基上的氢容易被氧化而降解次甲基上的氢容易被氧化而降解次甲基上的氢容易被氧化而降解次甲基上的氢容易被氧化而降解或交联或交联或交联或交联为了改善其耐老化性能我们采取为了改善其耐老化性能我们采取1.改变
12、橡胶主链结构改变橡胶主链结构(1)主链不含双键主链不含双键(2)主链上含双键较少的丁基橡胶(异丁主链上含双键较少的丁基橡胶(异丁烯与异戊二烯)烯与异戊二烯)(3)主链上含主链上含S原子的聚硫橡胶原子的聚硫橡胶(4)主链上含有主链上含有O原子的聚醚橡胶原子的聚醚橡胶(5)主链上均为非碳原子的二甲基硅橡胶主链上均为非碳原子的二甲基硅橡胶2.改变取代基结构改变取代基结构带有供电子取代基的橡胶易氧化:带有供电子取代基的橡胶易氧化:天然橡胶、丁苯橡胶天然橡胶、丁苯橡胶带有吸电子取代基的橡胶不易氧化:带有吸电子取代基的橡胶不易氧化:氯丁橡胶、氟橡胶氯丁橡胶、氟橡胶3.改变交联链的结构改变交联链的结构原则原
13、则:含硫少的交联链键能较大,耐:含硫少的交联链键能较大,耐热性好,如果交联键是热性好,如果交联键是C-C或或C-O,键,键能更大,耐热性更好。能更大,耐热性更好。二二.降低降低 ,避免结晶,改善耐寒性,避免结晶,改善耐寒性耐寒性不足的原因是由于在低温下橡胶耐寒性不足的原因是由于在低温下橡胶会发生玻璃化转变或发生结晶,而导致会发生玻璃化转变或发生结晶,而导致橡胶变硬变脆,丧失弹性。橡胶变硬变脆,丧失弹性。第三节第三节 高聚物的粘弹性高聚物的粘弹性3-1 基本概念基本概念3-2 基本的力学松弛现象基本的力学松弛现象3-3 粘弹性模型粘弹性模型3-4 粘弹性与时间、温度的关系(时温等效)粘弹性与时间
14、、温度的关系(时温等效)3-1 基本概念形变形变时间时间交联高聚物交联高聚物理想弹性体理想弹性体理想粘性体理想粘性体线性高聚物线性高聚物3-2 基本的力学松弛现象基本的力学松弛现象力学松弛力学松弛高聚物的力学性能随时高聚物的力学性能随时间的变化统称力学松弛间的变化统称力学松弛最基本的有:蠕变最基本的有:蠕变 应力松弛应力松弛 滞后滞后 力学损耗力学损耗3-2-1 蠕变蠕变(1)蠕变定义:)蠕变定义:在一定的温度和恒定的外力作用下(拉力,在一定的温度和恒定的外力作用下(拉力,压力,扭力等),材料的形变随时间的增加压力,扭力等),材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。而逐渐增大的现象。高聚物蠕变
15、性能反映了材料的尺寸稳定性。高聚物蠕变性能反映了材料的尺寸稳定性。(2)聚合物蠕变过程的形变分析蠕变过程包括下面三种形变:蠕变过程包括下面三种形变:普弹形变、高弹形变、粘性流动普弹形变、高弹形变、粘性流动当聚合物受力时,以上三种形变同时发生当聚合物受力时,以上三种形变同时发生 1 2+3t2t1t 1 2 3t0t Creep recovery 蠕变回复线形线形和交联交联聚合物的蠕变全过程形变随时间增加而形变随时间增加而增大,蠕变不能完增大,蠕变不能完全回复全回复形变随时间增加而形变随时间增加而增大,趋于某一值,增大,趋于某一值,蠕变可以完全回复蠕变可以完全回复思考题思考题:1.1.交联聚合物
16、的蠕变曲线交联聚合物的蠕变曲线?2.2.雨衣在墙上为什么越来越长雨衣在墙上为什么越来越长?(?(增塑增塑PVC)PVC)1 1PVC的的Tg=80,加入增塑剂后加入增塑剂后,玻璃化温度大大下降玻璃化温度大大下降,成为软成为软PVC做雨衣做雨衣,此时处于高弹态此时处于高弹态,很容易产生蠕变很容易产生蠕变.e et图图7 73-2-2 应力松弛应力松弛 定义:对于一个线性粘弹体来说,在应变定义:对于一个线性粘弹体来说,在应变保持不变的情况下,应力随时间的增加而保持不变的情况下,应力随时间的增加而逐渐衰减,这一现象叫应力松弛。逐渐衰减,这一现象叫应力松弛。(Stress Relax)例如例如例如例如
17、:拉伸一块未交联的橡胶到一定长度,并保:拉伸一块未交联的橡胶到一定长度,并保:拉伸一块未交联的橡胶到一定长度,并保:拉伸一块未交联的橡胶到一定长度,并保持长度不变,随着时间的增加,这块橡胶的回弹持长度不变,随着时间的增加,这块橡胶的回弹持长度不变,随着时间的增加,这块橡胶的回弹持长度不变,随着时间的增加,这块橡胶的回弹力会逐渐减小,这是因为里面的应力在慢慢减小,力会逐渐减小,这是因为里面的应力在慢慢减小,力会逐渐减小,这是因为里面的应力在慢慢减小,力会逐渐减小,这是因为里面的应力在慢慢减小,最后变为最后变为最后变为最后变为0 0。因此用未交联的橡胶来做传动带是。因此用未交联的橡胶来做传动带是。
18、因此用未交联的橡胶来做传动带是。因此用未交联的橡胶来做传动带是不行的。不行的。不行的。不行的。起始应力起始应力起始应力起始应力 松弛时间松弛时间松弛时间松弛时间影响因素:(1)如果如果 ,如常温下的橡胶,如常温下的橡胶,链段易运动,受到的内摩擦力很小,分子链段易运动,受到的内摩擦力很小,分子很快顺着外力方向调整,内应力很快消失很快顺着外力方向调整,内应力很快消失(松弛了),甚至可以快到觉察不到的程(松弛了),甚至可以快到觉察不到的程度度(2)如果)如果 ,如常温下的塑料,虽,如常温下的塑料,虽然链段受到很大的应力,但由于内摩擦力然链段受到很大的应力,但由于内摩擦力很大,链段运动能力很小,所以应
19、力松弛很大,链段运动能力很小,所以应力松弛极慢,也就不易觉察到极慢,也就不易觉察到(3 3)如果)如果)如果)如果温度接近温度接近温度接近温度接近 (附近几十度(附近几十度(附近几十度(附近几十度),应力松),应力松),应力松),应力松弛可以较明显地被观察到,如软弛可以较明显地被观察到,如软弛可以较明显地被观察到,如软弛可以较明显地被观察到,如软PVCPVC丝,用它来丝,用它来丝,用它来丝,用它来缚物,开始扎得很紧,后来就会慢慢变松,就是缚物,开始扎得很紧,后来就会慢慢变松,就是缚物,开始扎得很紧,后来就会慢慢变松,就是缚物,开始扎得很紧,后来就会慢慢变松,就是应力松弛比较明显的例子应力松弛比
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