11级高分子物理7 聚合物的屈服和断裂.ppt

1、 应变不到应变不到1010发生断裂，发生断裂，脆性断裂。脆性断裂。 出现屈服点，称为出现屈服点，称为屈服屈服应力应力。总应变不超过。总应变不超过2020。屈服点后出现很大的拉屈服点后出现很大的拉伸，后阶段曲线明显上升，伸，后阶段曲线明显上升，称为应变硬化，直到最后称为应变硬化，直到最后断裂。断裂。C C点为点为断裂应力断裂应力。 高弹态，不出现屈服点。高弹态，不出现屈服点。曲线大形变的分子机理曲线大形变的分子机理主要是高分子的链段运动。主要是高分子的链段运动。图图7-1 7-1 不同温度下的应力应变曲线不同温度下的应力应变曲线7.1.1 7.1.1 玻璃态聚合物的拉伸玻璃态聚合物的拉伸Tg以上

2、以上 Tg以下几十度以下几十度 TTg 7.1.2 7.1.2 玻璃态聚合物的强迫高弹形变玻璃态聚合物的强迫高弹形变RTaEexp0松弛时间松弛时间常数常数应力应力活化能活化能 应力增加，应力增加，松弛时间缩短。应力增加到松弛时间缩短。应力增加到 y时，松弛时时，松弛时间与拉伸速度相适应的数值，聚合物产生大形变。间与拉伸速度相适应的数值，聚合物产生大形变。 TbTTg, 外力作用下实现强迫高弹形变。外力作用下实现强迫高弹形变。 拉伸速度过快，拉伸速度过快，脆性断裂；脆性断裂；拉伸过慢，拉伸过慢，发生部分黏性发生部分黏性流动；流动；适当的拉伸速度，适当的拉伸速度，强迫高弹形变。强迫高弹形变。 强

3、迫高弹形变主要强迫高弹形变主要由聚合物结构决定。由聚合物结构决定。图图7-2 7-2 结晶聚合物拉伸过程应力结晶聚合物拉伸过程应力- -应应变曲线及试样外形变形示意图变曲线及试样外形变形示意图 7.1.3 7.1.3 结晶聚合物的拉伸结晶聚合物的拉伸一段，一段，应力随应变线性增应力随应变线性增加，加，伸长率百分之几到十伸长率百分之几到十几，到几，到Y Y点，点，出现出现“细颈细颈”。二阶段，细颈部分不断扩二阶段，细颈部分不断扩展，非细颈部分逐渐缩短，展，非细颈部分逐渐缩短，直到整个试样完全变细为直到整个试样完全变细为止。止。应力基本不变，应变应力基本不变，应变增加。增加。三段，成颈后的试样重新

4、三段，成颈后的试样重新被均匀拉伸，被均匀拉伸，应力随应变应力随应变的增加而增大直到断裂点。的增加而增大直到断裂点。7.1.3 7.1.3 结晶聚合物的拉伸结晶聚合物的拉伸玻璃态聚合物与结晶态聚合物的异同点玻璃态聚合物与结晶态聚合物的异同点相同点：相同点：都经历弹性形变、屈服（成颈）、发展大形变以及应都经历弹性形变、屈服（成颈）、发展大形变以及应变硬化等阶段，室温时不能自发回复，加热后能回复变硬化等阶段，室温时不能自发回复，加热后能回复原状，本质上两种拉伸都是高弹形变。原状，本质上两种拉伸都是高弹形变。不同点：不同点：玻璃态聚合物：玻璃态聚合物：TbTg，分子链的取向。，分子链的取向。 结晶聚合

5、物：结晶聚合物：TgTm，结晶的破坏、取向和再结晶。，结晶的破坏、取向和再结晶。7.1.4 7.1.4 硬弹性材料的拉伸硬弹性材料的拉伸图图7-3 7-3 硬弹性聚丙烯的硬弹性聚丙烯的典型硬弹性行为典型硬弹性行为易结晶的聚合物熔体，在较高的拉伸应力场中结易结晶的聚合物熔体，在较高的拉伸应力场中结晶时，可以得到很高弹性的纤维或薄膜材料，而晶时，可以得到很高弹性的纤维或薄膜材料，而其弹性模量比一般橡胶高得多，称为其弹性模量比一般橡胶高得多，称为硬弹性材料硬弹性材料。7.1.4 7.1.4 硬弹性材料的拉伸硬弹性材料的拉伸图图7-4 Clark 7-4 Clark 的能弹性模型的能弹性模型能弹性（晶

6、片弯曲）模型能弹性（晶片弯曲）模型7.1.4 7.1.4 硬弹性材料的拉伸硬弹性材料的拉伸 某些非晶聚合物出现硬弹性行为。某些非晶聚合物出现硬弹性行为。 硬弹性表面能机理：硬弹性主要由形成微纤的表面硬弹性表面能机理：硬弹性主要由形成微纤的表面能改变贡献的。能改变贡献的。图图 7-7 SBS7-7 SBS嵌段共聚物嵌段共聚物(S:B)(S:B)的拉的拉伸试样示意伸试样示意图图7-8 SBS 7-8 SBS 嵌段共聚物嵌段共聚物(S:B)(S:B)的拉伸行为的拉伸行为7.2 7.2 聚合物的屈服行为聚合物的屈服行为200coscos/cosAFAFnn2/ )2sin(sinsin/sin0200

7、AFAFss图图7-12 7-12 单轴拉伸应力分析单轴拉伸应力分析图图7-13 应力与截面倾角的关系应力与截面倾角的关系7-14 拉伸应力引起交叉剪切应力示拉伸应力引起交叉剪切应力示意意2020sincosn2/ )2sin(2/ )2sin(00s0nnss0/F A/(1) FA )1/(/000AllAA假定试样变形时体积不变，即假定试样变形时体积不变，即A0l0=Al00lll 1/0ll伸长比伸长比d0d2d1d(1)0d(1)ddd1+/ (1)(1) /dd00expBUkT承载寿命承载寿命拉伸应力拉伸应力微裂纹也称为银纹：微裂纹也称为银纹：聚合物在张应力作用下，聚合物在张应力

8、作用下，出现于材料的缺陷或薄弱处，与主应力方向出现于材料的缺陷或薄弱处，与主应力方向垂直的长条形微细凹槽。垂直的长条形微细凹槽。长长100m100m、宽、宽10m10m、厚、厚1m1m图图7-21 7-21 聚合物断裂微观过程的三种模型示意图聚合物断裂微观过程的三种模型示意图第一种，第一种，聚合物的断裂必须破坏所有的键。聚合物的断裂必须破坏所有的键。共价键的键能共价键的键能350kJmol-1理想的拉伸强度：理想的拉伸强度：318102310350 105 101.9 10 ()6.023 101.5 10Pa 共价键破坏距离共价键破坏距离d d每平方米分子数每平方米分子数mol-1。没有氢键

9、，没有氢键，mol-1。7.4 7.4 影响聚合物实际强度的因素影响聚合物实际强度的因素一般情况下，增加高分子的极性或形成氢键可一般情况下，增加高分子的极性或形成氢键可以使其强度提高。以使其强度提高。主链含有芳杂环的聚合物，主链含有芳杂环的聚合物，其强度和模量都比其强度和模量都比脂肪族的高。因此，新颖的工程塑料大都是主脂肪族的高。因此，新颖的工程塑料大都是主链含芳杂环的。链含芳杂环的。分子链的支化：分子链的支化：支化程度增加，聚合物支化程度增加，聚合物拉伸强度降低。拉伸强度降低。适度的交联：适度的交联：随着交联度的增加，往往随着交联度的增加，往往不易发生大的形变，同时材料强度增高。不易发生大的

10、形变，同时材料强度增高。交联密度过大：交联密度过大：强度下降。强度下降。分子量：分子量：分子量增加，拉伸强度和冲击分子量增加，拉伸强度和冲击强度提高。继续增加，拉伸不变，冲击强度提高。继续增加，拉伸不变，冲击增加增加。结晶度增加，结晶度增加，拉伸强度、抗弯强度和弹性拉伸强度、抗弯强度和弹性模量均有提高。模量均有提高。球晶结构对强度的影响更大，球晶结构对强度的影响更大，它的大小对它的大小对聚合物的力学性能以及物理、光学性能起聚合物的力学性能以及物理、光学性能起着重要作用。着重要作用。021abmax00122ccb2/a锐口的应力集中系数比钝锐口的应力集中系数比钝口的大得多。口的大得多。增塑剂减

11、小了增塑剂减小了分子间的作用力，强度降低。分子间的作用力，强度降低。增塑剂使链段运动能力增强增塑剂使链段运动能力增强，材料冲击强，材料冲击强度提高。度提高。1. 1.粉状填料粉状填料粉状填料粉状填料如木粉、炭黑、轻质二氧化硅、碳酸镁、如木粉、炭黑、轻质二氧化硅、碳酸镁、氧化锌等，它们与某些橡胶或塑料复合，可以显著氧化锌等，它们与某些橡胶或塑料复合，可以显著改善其性能。改善其性能。聚合物与填料之间的浸润性聚合物与填料之间的浸润性对补强的效果影响很大对补强的效果影响很大。橡胶补强机理：橡胶补强机理： 粉状填料对弹性体粉状填料对弹性体补强效果好。补强效果好。2. 2. 纤维状填料纤维状填料纤维填料中

12、使用最早纤维填料中使用最早的是各种天然纤维，如棉、的是各种天然纤维，如棉、麻、丝及其织物等。后来，发展了玻璃纤维。麻、丝及其织物等。后来，发展了玻璃纤维。纤维填料在橡胶轮胎和橡胶制品中纤维填料在橡胶轮胎和橡胶制品中，主要作为，主要作为骨架，以帮助承担负荷。通常采用纤维的网状骨架，以帮助承担负荷。通常采用纤维的网状织物，俗称为帘子布。织物，俗称为帘子布。在热固性塑料中在热固性塑料中常以玻璃布为填料，得到得谓常以玻璃布为填料，得到得谓玻璃纤维层压塑料，强度可与钢铁媲美。玻璃纤维层压塑料，强度可与钢铁媲美。基体塑性流动阻碍基体塑性流动阻碍,阻止纤维拉开趋势阻止纤维拉开趋势基体抑制裂纹基体抑制裂纹,基体依靠切变作用使裂纹不沿基体依靠切变作用使裂纹不沿垂直方向发展而发生偏离垂直方向发展而发生偏离共聚可以综合两种以上共聚可以综合两种以上均聚物的性能。例：高抗冲聚均聚物的性能。例：高抗冲聚苯乙烯，苯乙烯，ABSABS共混物共混物常常具有比原来组分更为优异的性能，最早的常常具有比原来组分更为优异的性能，最早的改性聚苯乙烯就是天然橡胶和聚苯乙烯机械共混而得改性聚苯乙烯就是天然橡胶和聚苯乙烯机械共混而得到的。到的。微裂纹微裂纹吸收大吸收大量的冲量的冲击能。击能。 5、分别说明塑料、橡胶增强的措施，其理论依据各是、分别说明塑料、橡胶增强的措施，其理论依据各是什么？什么？