高聚物的力学性质.ppt

第七章高聚物的力学性能第一节概述1-1力学性能分类弹性断裂性能常用术语：
力学行为：指施加一个外力在材料上，它产生怎样的形变（响应）
形变性能：非极限情况下的力学行为
断裂性能：极限情况下的力学行为
弹性：对于理想弹性体来讲，其弹性形变可用虎克定律来表示，即：应力与应变成正比关系，应变与时间无关粘性：在外力作用下，分子与分子之间发生位移，理想的粘性流体其流动形变可用牛顿定律来描述：应力与应变速率成正比
普弹性：大应力作用下，只产生小的、线性可逆形变，它是由化学键的键长，键角变化引起的。与材料的内能变化有关：形变时内能增加，形变恢复时，放出能量，对外做功（玻璃态，晶态，高聚物，金属，陶瓷均有这种性能），普弹性又称能弹性高弹性：小的应力作用下可发生很大的可逆形变，是由内部构象熵变引起的，所以也称熵弹性（橡胶具有高弹性）
静态力学性能：在恒应力或恒应变情况下的力学行为
动态力学性能：物体在交变应力下的粘弹性行为
应力松弛：在恒应变情况下，应力随时间的变化蠕变：在恒应力下，物体的形变随时间的变化
强度：材料所能承受的应力
韧性：材料断裂时所吸收的能量1-2表征材料力学性能的基本物理量应变弹
性
模
量1-3高聚物力学性能的特点PS制品很脆，一敲就碎（脆性）
尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性）
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（弹性）
胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性）
高聚物力学性质的这种多样性，为不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
高弹性和粘弹性
（1）高聚物的高弹性：是由于高聚物极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。它与一般材料的普弹性的差别就是因为构象的改变；形变时构象熵减小，恢复时增加。内能在高弹性形变中不起主要作用（它却是普弹形变的主要起因）（2）高聚物的粘弹性：指高聚物材料不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。弹性和粘性在高聚物材料身上同时呈现得特别明显。
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必须考虑应力、应变与时间的关系。温度对力学性能也是非常重要的因素描述粘弹性高聚物材料的力学行为必须同时考虑应力、应变、时间和温度四个参数。高聚物材料的力学性能对时间和温度的强烈依赖性是研究其力学性能中要着重弄清的问题，也是进行高聚物材料的测试及使用时必须十分注意的问题。第二节高弹性2-1高弹性的特点橡胶就是具有高弹性的材料，高弹性的特征表现在：
①弹性形变大，可高达1000%，而金属材料的普弹形变不超过1%
②弹性模量小，，而且随绝对温度升高而升高；而金属材料的弹性模量达，而且随绝对温度升高而降低③在快速拉伸时（绝热过程），高聚物温度上升；而金属材料温度下降。如果把橡胶薄片拉长，把它贴在嘴唇或面颊上，就会感到橡皮在伸长时发热，回缩时吸热。
④形变与时间有关，橡胶受到外力（应力恒定）压缩或拉伸时，形变总是随时间而发展，最后达到最大形变，这种现象叫蠕变。原因：由于橡胶是长链分子，整个分子的运动都要克服分子间的作用力和内摩擦力，高弹形变就是靠分子链段运动来实现的。整个分子链从一种平衡状态过度到与外力相适应的平衡状态，可能需要几分钟，几小时甚至几年。也就是说在一般情况下形变总是落后与外力，所以橡胶形变需要时间2-2平衡态高弹形变的热力学分析

物理意义：外力作用在橡胶上，一方面使橡胶的内能随伸长而变化，一方面使橡胶的熵随伸长而变化。
或者说：橡胶的张力是由于变形时内能发生变化和熵发生变化引起的。

这就是橡胶热力学方程式
实验时用当纵坐标，T为横坐标，作图：截距为；斜率为。
发现各直线外推到时均通过原点，即截距为0得：
所以橡胶拉伸时，内能几乎不变，而主要引起熵的变化。就是说，在外力作用下，橡胶分子链由原来蜷曲无序的状态变为伸直有序状态。熵由大变小，由无序变有序；终态是不稳定体系，当外力除去以后，就会自发地恢复到初态，也就是说，橡皮由拉伸态恢复到原来状态是熵增过程（自发过程），也就解释了高弹形变为什么是可回复的。既然拉伸时熵减小，为负值，所以
也应该是负值，说明了拉伸过程中为什么放出热量。
由于理想高弹体拉伸时只引起熵变，或者说只有熵的变化对理想高弹体的弹性有贡献，也称这种弹性为熵弹性2-3橡胶的使用温度一.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120℃已难以保持其物理
机械性能，170~180℃时已失去使用价
值，为什么呢？橡胶主链中含有大量双
键，易被臭氧破坏而裂解，双键旁的α
次甲基上的氢容易被氧化而降解或交联为了改善其耐老