高分子材料的性能特点

2.1高分子材料的力学状态物质的物理状态相态凝胶态热力学概念动力学概念凝胶态根据物质对外场（外部作用）特别是外力场的响应特性划分。按物质力学性能随温度变化的特性划分。力学状态2.1高分子材料的力学状态物质的力学三态气态液态固态温度增加聚合物力学状态具有特殊性。原因：没有气态；具有非晶态；结晶具有不完善性。热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意2.1高分子材料的力学状态等速升温线型无定形聚合物的力学三态及其转变2.1高分子材料的力学状态线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg）；高弹态和粘流态之间的转变温度：粘流温度（Tf）图2.1线型无定形高聚物热机械曲线玻璃态TTg（2）力学特征：形变量小(0.01～1%)，模量高(109～1010Pa)。形变与时间无关，呈普弹性。（3）常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料。（1）分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动。TdTfTg2.1高分子材料的力学状态高弹态Tg～Tf（1）分子运动机制：链段“解冻”，可以运动（2）力学特征：形变量大，100-1000﹪模量小，105-107Pa形变可逆，一个松弛过程（3）常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料。分子运动特点之一：时间依赖性物质从一种平衡状态与外界条件相适应的另一种平衡状态外场作用下通过分子运动低分子是瞬变过程（10-9～10-10秒）高分子是松弛过程需要时间（10-1～10+4秒）各种运动单元的运动需要克服内摩擦阻力，不可能瞬时完成。运动单元多重性：键长、键角、侧基、支链、链节、链段、分子链粘流态Tf～Td（2）力学特征：形变量很大（流动）形变不可逆模量极小（3）Tf与摩尔平均质量有关（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移TdTfTg分解温度结晶聚合物的力学三态及其转变2.1高分子材料的力学状态结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态轻度结晶聚合物晶区起交联点作用。温度，非晶区进入高弹态，整个材料具有韧性和强度。结晶度40%晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的非晶区玻璃化转变现象。2.1高分子材料的力学状态图2.2高结晶度聚合物的热机械曲线不呈现高弹态呈现高弹态结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩尔平均质量。问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？Cross-linked交联Network（3D）网状答案：不出现粘流态。2.1高分子材料的力学状态玻璃化转变现象及Tg的重要性2.1高分子材料的力学状态玻璃化转变是高聚物的一种普遍现象。发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全改变材料的使用性能：TTg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）Tg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Tg是塑料的最高使用温度自由体积理论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应力-应变弹性模量-拉伸（杨氏）模量剪切（刚性）模量体积（本体）模量硬度机械强度-拉伸（抗张）强度弯曲强度冲击强度应力-应变应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时其几何形状和尺寸所发生的变化。材料发生形变产生附加内力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应力：单位面积上的内力。外力作用材料欲保持原状外力卸载简单拉伸示意图产生的形变-拉伸形变/相对伸长率A0l0lDlAFFA0FF简单剪切示意图剪切应力、剪切应变材料受力方式的基本类型2.2高分子材料的力学性能A0FF三点弯曲一点弯曲FF扭转均匀压缩体积形变压缩应变2.2高分子材料的力学性能电子万能材料试验机实验条件：一定拉伸速率和温度2.2高分子材料的力学性能应力-应变曲线Stress-straincurve标准哑铃型试样图2.3高分子材料三种典型的应力-应变曲线2.2高分子材料的力学性能AAEDDAYBYieldingpoint屈服点Pointofelasticlimit弹性极限点Breakingpoint断裂点ABAYBStrainsoftening应变软化plasticdeformation塑性形变Strainhardening应变硬化yOND图2.4非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）2.2高分子材料的力学性能2.2高分子材料的力学性能序号12345类型硬而脆硬而强强而韧软而韧软而弱曲线模量高高高低低拉伸强度中高高中低断裂伸长率小中大很大中断裂能小中大大小实例PSPMMA酚醛树脂硬PVC增韧EPPCABSHDPE硫化橡胶软PVC未硫化橡胶齐聚物软~硬：模量强~弱：拉伸强度韧~脆：断裂能2.2高分子材料的力学性能高弹性高弹性的特点：2.2高分子材料的力学性能聚合物（在Tg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。高弹态聚合物最重要的力学性能弹性模量小；橡胶:0.2-8MPa钢：20000MPa；HDPE:200MPa；PS:2500MPa形变量一般～500%，可达1000%。普通金属材料的形变量＜1％形变量很大；2.2高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时分子运动需要时间形变过程有明显的热效应弹性体：拉伸——放热回缩——吸热温度，链段运动加剧，回缩力，维持相同形变所需的作用力抵抗变形的能力升高。温度升高，弹性模量增大；高弹性的本质2.2高分子材料的力学性能高弹性由熵变引起拉伸弹性体时外力所做的功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去除外力体系回复到初始状态热力学第一定律热力学第二定律熵弹性粘弹性外力作用时，同时发生高弹变形和粘性流动。2.2高分子材料的力学性能聚合物最重要的力学性能之一Figure2.5Varioustypesofstrainresponsetoanimposedstress.静态粘弹性动态粘弹性蠕变应力松弛聚合物粘弹性：温度、应力一定，随时间的延长形变增加。：温度、形变一定，应力随时间延长而减小。2.2高分子材料的力学性能F力学松弛行为滞后力学损耗（内耗）自学图2.6蠕变、应力松弛示意图.蠕变过程包括三种形变图2-6线形非晶态聚合物的蠕变及回复曲线2.2高分子材料的力学性能普弹形变ε1运动单元：键长、键角形变特点：形变量小，与时间无关，形变可完全回复高弹形变ε2运动单元：链段形变特点：形变量大，与时间有关，可逐渐回复粘性流动ε3运动单元：分子链形变特点：不可逆形变2+3t3121提高材料抗蠕变性能的途径:蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力。2.2高分子材料的力学性能a.聚合物玻璃化温度高于室温；b.聚合物分子链含有苯环等刚性链；c.交联:可以防止分子间的相对滑移。高分子材料的力学性能特点强度低，比强度高;2.2高分子材料的力学性能高弹性，弹性模量低;橡胶—典型的高弹性材料：弹性变形率为100%～1000%弹性模量仅为～1MPa高耐磨性；塑料的摩擦系数小，有些塑料具有自润滑性能。具有粘弹性2.2高分子材料的力学性能材料名称比重拉伸强度（MPa）比强度高级合金钢8.01280160铝合金2.8420160铸铁7.424032聚乙烯0.953031.6尼龙661.128374.1玻璃增强尼龙661.3～1.598～218143环氧玻璃钢1.73500280玻璃增强聚乙烯1.16357.3表2.1几种材料的机械强度聚合物高电阻率可能积累大量静电荷高绝缘性；低耐热性；通用高分子材料的耐热温度200℃低导热性：金属的1/500-1/600高化学稳定性；高热膨胀性：比金属大3-10倍2.3高分子材料的物化性能特点较易老化。高分子材料在贮存、使用过程中，由于自身结构，或受光，热，氧，机械力、生物侵蚀等影响，性能逐渐变坏，直至丧失使用价值的现象。2.3高分子材料的性能特点防止老化措施：改变自身结构；加入防老化剂；表面处理：镀金属或涂抗老化涂料。作业：一、名词术语解释1、结晶度2、玻璃化转变温度（Tg）3、粘流温度（Tf）4、应变5、蠕变二、简答1、高弹性为什么又称为熵弹性？2、简要阐述聚合物的粘弹性。3、描述高分子材料的软硬、强弱和韧脆的指标分别是什么？4、请说明非晶态聚合物力学三态的运动单元。三、论述题1、画出塑料材料的应力应变曲线，并对其进行描述？2、高分子材料的使用温度同玻璃化转变温度有什么关系？