《高分子材料性能学》课件.ppt
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- 高分子材料性能学 高分子材料 性能 课件
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1、高分子材料性能学材料科学与工程学院A323彭 志 平2一、材料分类一、材料分类 金属材料金属材料 无机非金属材料无机非金属材料 高分子材料高分子材料 复合材料复合材料绪绪 论论31.塑料塑料热固性塑料热固性塑料(酚醛、脲醛等酚醛、脲醛等)热塑性塑料热塑性塑料(PE,PP,PVC,PS,PMMA等等)塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间,约塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间,约107108Pa;受力形变可达百分之几至几百。;受力形变可达百分之几至几百。42.橡胶:橡胶:天然橡胶天然橡胶(聚异戊二烯聚异戊二烯)合成橡胶合成橡胶(顺丁顺丁,丁苯丁苯,丁腈丁腈,氯丁橡胶氯丁橡胶)室温弹性高;形变大(可达室温
2、弹性高;形变大(可达1000%1000%),外力去除后,能迅速恢复原状;弹性模量小,),外力去除后,能迅速恢复原状;弹性模量小,约约10105 510104 4PaPa。53.纤维纤维聚酯纤维聚酯纤维(涤纶,如涤纶,如PET)聚酰胺纤维(如尼龙,锦纶)聚酰胺纤维(如尼龙,锦纶)腈纶腈纶(PAN)丙纶丙纶(PP)维纶(维纶(PVA)弹性模量较大,约弹性模量较大,约1091010Pa。形变小,机械性能随温度变化不大形变小,机械性能随温度变化不大 6二、二、材料的四要素材料的四要素成分成分/结构、制备结构、制备/工艺、性质和使用性能工艺、性质和使用性能成分成分/结构、制备结构、制备/工艺决定固有性质
3、工艺决定固有性质性质决定使用性能性质决定使用性能使用性能决定材料使用性能决定材料的用途的用途7高分子科学各课程间的联系成分成分/结构、制备结构、制备高分子化学聚合反应工程聚合反应工程加工工艺、成型加工工艺、成型高分子成型与加工结构与性能关系结构与性能关系高分子物理材料的使用性能材料的使用性能高分子材料性能学高分子材料性能学材料的分类与应用材料的分类与应用高分子材料理论理论和物质和物质基础基础实用价值实际应用8三、材料性能的概念三、材料性能的概念1.1.材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或表现表现2.2.表征材料响应行为发生程度的参数,即性能表征材料响
4、应行为发生程度的参数,即性能指标(如模量、强度等)指标(如模量、强度等)9力学性能力学性能:弹性、塑性、硬度、韧度、强度:弹性、塑性、硬度、韧度、强度耐环境性能耐环境性能:耐腐蚀性、老化、抗辐照性:耐腐蚀性、老化、抗辐照性性能划分性能划分物理性能物理性能:热学、磁学、电学、光学:热学、磁学、电学、光学四、材料性能的划分四、材料性能的划分10力学性能:力学性能:材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。力学性能力学性能表征力学性能表征材
5、料软硬程度材料软硬程度变形能力变形能力弹性、塑性弹性、塑性材料脆性材料脆性硬度硬度韧性韧性材料抵抗外力能力材料抵抗外力能力强度强度1112五、材料性能的四个方面五、材料性能的四个方面宏观表征宏观表征:表征材料性能的参数,如强度、硬度:表征材料性能的参数,如强度、硬度 微观本质微观本质:材料的性能是材料内部结构因素在一定:材料的性能是材料内部结构因素在一定 外界作用下的综合反映外界作用下的综合反映 影响因素影响因素:内因(材料结构),外因(温度等):内因(材料结构),外因(温度等)性能测试性能测试:测试原理、设备、方法:测试原理、设备、方法13六、高分子材料性能学的主要内容六、高分子材料性能学的
6、主要内容 高分子材料的常规力学性能高分子材料的常规力学性能 (6 6课时)课时)高分子材料的高弹性与粘弹性高分子材料的高弹性与粘弹性 (5 5课时)课时)高分子材料的断裂高分子材料的断裂 (5 5课时)课时)高分子材料的力学强度高分子材料的力学强度 (5 5课时)课时)高分子材料的疲劳性能高分子材料的疲劳性能 (3 3课时)课时)高分子材料的磨损性能高分子材料的磨损性能 (3 3课时)课时)高分子材料的热、电、磁、光学性能高分子材料的热、电、磁、光学性能 (1515课时)课时)高分子材料的老化性能高分子材料的老化性能 (4 4课时)课时)14七、本课程的主要学习任务七、本课程的主要学习任务1.
7、掌握高分子材料各种主要性能的宏观规律、物理本质和工程意义掌握高分子材料各种主要性能的宏观规律、物理本质和工程意义2.了解影响高分子材料性能的主要因素了解影响高分子材料性能的主要因素3.掌握改善或提高高分子材料性能指标主要途径掌握改善或提高高分子材料性能指标主要途径4.了解高分子材料性能测试的原理、方法及相关仪器设备了解高分子材料性能测试的原理、方法及相关仪器设备5.初步具备选用高分子材料、开发新型高分子材料的必备基础知识与基本技能初步具备选用高分子材料、开发新型高分子材料的必备基础知识与基本技能15八、本课程的学习方法八、本课程的学习方法预备知识预备知识:材料力学、高分子材料科学基础、:材料力
8、学、高分子材料科学基础、高分子物理高分子物理学习方法学习方法:性能的基本概念:性能的基本概念物理本质物理本质 影响因素影响因素性能指标的工程意义性能指标的工程意义 指标的测试与评价指标的测试与评价 理论联系实际、重视实验理论联系实际、重视实验16八、参考书目八、参考书目1.材料性能学材料性能学王从曾主编,北京工业大学出版社,王从曾主编,北京工业大学出版社,2001年年2.材料性能学材料性能学张帆等主编,上海交通大学出版社,张帆等主编,上海交通大学出版社,2009年年3.高分子物理高分子物理何曼君等主编,复旦大学出版社,何曼君等主编,复旦大学出版社,2001年年4.高分子物理高分子物理金日光等主
9、编,化学工业出版社,金日光等主编,化学工业出版社,2007年年5.高聚物的力学性能高聚物的力学性能何平笙编著,中国科学技术大学出版社,何平笙编著,中国科学技术大学出版社,2008年年6.高分子材料强度及破坏行为高分子材料强度及破坏行为傅政编,化学工业出版社,傅政编,化学工业出版社,2005年年7.高分子材料强度学高分子材料强度学朱锡熊等编,浙江大学出版社,朱锡熊等编,浙江大学出版社,1992 年年8.高分子概论高分子概论代丽君等主编,化学工业出版社,代丽君等主编,化学工业出版社,2006年年9.高分子材料概论高分子材料概论吴奇晔等编,机械工业出版社,吴奇晔等编,机械工业出版社,2004年年10
10、.近代高分子科学近代高分子科学张邦华等编,化学工业出版社,张邦华等编,化学工业出版社,2006年年 17第1章 高分子材料的常规力学性能18力学性能:高分子材料抵抗变形和断裂的能力力学性能:高分子材料抵抗变形和断裂的能力弹性弹性:材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力 塑性塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力强度强度:是材料对变形和断裂的抗力是材料对变形和断裂的抗力 寿命寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效 的能力的能力失
11、效:失效:材料在载荷与环境作用下服役,无法抵抗变形和断裂,材料在载荷与环境作用下服役,无法抵抗变形和断裂,失去其预定的效能而损坏。失去其预定的效能而损坏。常见的三大失效形式:常见的三大失效形式:磨损、腐蚀、断裂磨损、腐蚀、断裂191.1 1.1 力学性能的基本指标力学性能的基本指标1.1.1 1.1.1 应力与应变应力与应变 当材料受到外力作用,它所处的条件又不能产生惯性移动时,其几何形状和尺寸当材料受到外力作用,它所处的条件又不能产生惯性移动时,其几何形状和尺寸会发生变化,这种变化就称为会发生变化,这种变化就称为应变应变,亦可称为,亦可称为形变形变。定义单位面积上的附加内力为定义单位面积上的
12、附加内力为应力应力。20(1 1)简单拉伸)简单拉伸 外力外力F F是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个力是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个力.拉伸应变:拉伸应变:000lllll拉伸应力:拉伸应力:0AFA0l0l lAFF21真应力真应力-真应变真应变真应力:真应力:真应变真应变:证明?AF真00ln0llldldll真)1ln(lnln000lllll真)1(真真,真,真应力真应力-应变曲线应变曲线工程应力工程应力-应变曲线应变曲线22(2 2)简单切变)简单切变 材料受到的力材料受到的力F F是与截面相平行、大小相等、方向相反的两个力。这时
13、材料将是与截面相平行、大小相等、方向相反的两个力。这时材料将发生偏斜,偏斜角的正切值定义为切应变发生偏斜,偏斜角的正切值定义为切应变 剪切应变:剪切应变:剪切应力:剪切应力:tan0AFA0FF 23(3 3)均匀压缩)均匀压缩 材料受到的是围压力(流体静压力)材料受到的是围压力(流体静压力)P。发生体积形。发生体积形变,体积由变,体积由V0缩小至缩小至V。压缩应变:压缩应变:000VVVVVVA0241.1.2 1.1.2 弹性模量弹性模量单位应变所需应力的大小,是材料刚性的表征。模量的倒数称为柔量,是材料容易单位应变所需应力的大小,是材料刚性的表征。模量的倒数称为柔量,是材料容易形变程度的
14、一种表征。形变程度的一种表征。拉伸模量(杨氏模量)拉伸模量(杨氏模量)E E:剪切模量(刚性模量)剪切模量(刚性模量)G G:压缩模量(本体模量)压缩模量(本体模量)K K:EGVPK25泊松比泊松比 材料在拉伸时,不仅有轴向伸长,同时有横向收缩。横向应变对轴向应变之比称材料在拉伸时,不仅有轴向伸长,同时有横向收缩。横向应变对轴向应变之比称为泊松比,以为泊松比,以 表示表示 00llmm轴向应变横向应变 可以证明没有体积变化时,可以证明没有体积变化时,0.50.5,橡胶拉伸时就是这种情况。其他材料拉伸,橡胶拉伸时就是这种情况。其他材料拉伸时,时,0.5.0.5.26与与E和和G之间有如下关系式
15、:之间有如下关系式:E=2G(1+)因为因为00.5,所以,所以2GG,即拉伸比剪切困难,即拉伸比剪切困难.这是因为在拉伸时高分子链要断键,需要较大的力;剪切时是层间错这是因为在拉伸时高分子链要断键,需要较大的力;剪切时是层间错动,较容易实现。动,较容易实现。27单轴取向高分子材料单轴取向高分子材料2 2个杨氏模量:个杨氏模量:El为纵向杨氏模量为纵向杨氏模量 Et为横向杨氏模量为横向杨氏模量2 2个切变模量:个切变模量:Gtt为横向切变模量为横向切变模量 Glt为纵向切变模量为纵向切变模量1 1个本体模量个本体模量K K2 2个泊松比:个泊松比:对纵向力为对纵向力为Vtt 对横向力为对横向力
16、为Vtl 28双轴取向高分子材料双轴取向高分子材料5 5个独立的弹性模量:个独立的弹性模量:Ep为面向杨氏模量为面向杨氏模量 Et为侧向杨氏模量为侧向杨氏模量 Gp为面向切变模量为面向切变模量 Gt为侧向切变模量。为侧向切变模量。2 2个泊松比:个泊松比:对面向力为对面向力为Vpt 对侧向力为对侧向力为Vtp 291.2 1.2 高分子材料的分子运动和力学状态转变高分子材料的分子运动和力学状态转变 1.2.1 1.2.1 高分子材料的分子运动特点高分子材料的分子运动特点(1 1)运动单元和模式的多重性)运动单元和模式的多重性 (2 2)分子运动的时间依赖性)分子运动的时间依赖性/0textx(
17、3 3)分子运动的温度依赖性)分子运动的温度依赖性RTEoe/301.2.2 1.2.2 高分子材料的力学状态及转变高分子材料的力学状态及转变线型非晶态高聚物的形变线型非晶态高聚物的形变-温度曲线温度曲线ABCD ETbTgTfT/形变形变%A-玻璃态玻璃态B-过渡区过渡区C-高弹态高弹态D-过渡区过渡区E-黏流态黏流态Tb-脆化温度;脆化温度;Tg-玻璃化温度;玻璃化温度;Tf-黏流温度黏流温度31线型非晶态高聚物的三种物理状态的对比线型非晶态高聚物的三种物理状态的对比三种物理三种物理状态状态运动单元运动单元力学行为特征力学行为特征应用应用玻璃态玻璃态TbTg键长、键角键长、键角基团基团形变
18、小,并且形变可逆,形变小,并且形变可逆,属于普弹性能。结构类似属于普弹性能。结构类似玻璃,弹性模量大。玻璃,弹性模量大。塑料、纤维塑料、纤维高弹态高弹态TgTf链段链段形变大,形变可逆,弹性形变大,形变可逆,弹性模量较小。模量较小。橡胶橡胶黏流态黏流态TfTd链段、大分链段、大分子链子链形变为不可逆,属于永久形变为不可逆,属于永久形变,无强度。流动取决形变,无强度。流动取决于相对分子质量大小。于相对分子质量大小。成型加工、油漆、成型加工、油漆、黏合剂黏合剂32结晶态高聚物的形变结晶态高聚物的形变-温度曲线温度曲线12形变形变%TgTmTfT/1-1-相对分子质量较小相对分子质量较小2-2-相对
19、分子质量很大相对分子质量很大Tg T Tf 粘流态粘流态33交联高聚物的温度交联高聚物的温度-形变曲线形变曲线T交联度增加交联度增加l 交联度较小时:交联度较小时:有有Tg,根据环境温度高或低于,根据环境温度高或低于Tg,可判断材料处于高弹态或,可判断材料处于高弹态或玻璃态。玻璃态。l交联度大时:交联度大时:链段运动困难,玻璃化转变难以发生,材料始终处于玻璃态链段运动困难,玻璃化转变难以发生,材料始终处于玻璃态 341.3 1.3 高分子材料的拉伸行为高分子材料的拉伸行为哑铃状试件哑铃状试件 L0=5.65A01/2或或11.3A0 1/2 35y-y-屈服点屈服点e-e-弹性极限点弹性极限点
20、冷拉冷拉应变软化应变软化应变硬化应变硬化 e b y e b yp-比例极限比例极限 p pb-b-断裂点断裂点p-比例极限比例极限1.3.1 线型非晶态高聚物的应力线型非晶态高聚物的应力-应变曲线应变曲线36拉伸过程高分子链的三种运动情况:拉伸过程高分子链的三种运动情况:弹性形变(开始弹性形变(开始e e点)点)强迫高弹形变强迫高弹形变塑性变形塑性变形ey(屈服点)(屈服点)37动画引自九江学院杜大明材料科学基础ppt弹性变形与塑性变形弹性变形与塑性变形38l弹性变形 材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子(离子)或分子材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子(离子)或分子自平衡位置产生可逆位
21、移的反映。橡胶类材料则是呈卷曲状自平衡位置产生可逆位移的反映。橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段运动沿受力方向产生的伸展。的分子链在力的作用下通过链段运动沿受力方向产生的伸展。VTVTlSlUf,材料在等温、等容条件下发生弹性回复的驱动力由内能变材料在等温、等容条件下发生弹性回复的驱动力由内能变化和熵变两部分组成。化和熵变两部分组成。39l弹性变形的特点弹性变形的特点1)1)可逆性可逆性:去掉外力后变形消失:去掉外力后变形消失 弹性变形都是可逆变形弹性变形都是可逆变形2).2).金属、陶瓷或结晶态高聚物:应力金属、陶瓷或结晶态高聚物:应力-应变线性应变线性关系,弹性变形量都较小
22、关系,弹性变形量都较小3).3).橡胶态的高聚物:应力橡胶态的高聚物:应力-应变不呈线性关系,应变不呈线性关系,且变形量较大且变形量较大 40l弹性变形的力学性能指标弹性变形的力学性能指标 (1)弹性模量:)弹性模量:是单位应变所需应力的大小,物理意义是是单位应变所需应力的大小,物理意义是产生产生100%弹性变形所需的应力。弹性变形所需的应力。(2)比例极限)比例极限p:是保持应力与应变成正比关系的最大应力,是保持应力与应变成正比关系的最大应力,即在应力即在应力-应变曲线上刚开始偏离直线时的应力应变曲线上刚开始偏离直线时的应力 0AFpp(3)弹性极限)弹性极限e:是材料发生可逆的弹性变形的上
23、限应力值,是材料发生可逆的弹性变形的上限应力值,应力超过此值,则材料发生塑性变形应力超过此值,则材料发生塑性变形。0AFee41(4)弹性比功:)弹性比功:是材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的是材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功,又称弹性比能或应变比能,用弹性变形功,又称弹性比能或应变比能,用e表示,它在数值表示,它在数值上等于应力上等于应力-应变曲线弹性段以下所包围的面积应变曲线弹性段以下所包围的面积 eeeoEaeeee2212提高弹性比功的方法:提高弹性比功的方法:提高提高e 降低降低E(提高弹性极限应变(提高弹性极限应变e)橡胶低橡胶低E和高弹性应变和高弹性应变高弹性高弹
24、性比功比功42l非理想弹性非理想弹性理想弹性行为:理想弹性行为:E(1).应变应变-应力线性应力线性(2).应力和应变同相位应力和应变同相位(3).应变是应力的单值函数应变是应力的单值函数高分子材料的非理想弹性行为:高分子材料的非理想弹性行为:滞弹性、粘弹性、内耗滞弹性、粘弹性、内耗43(1)滞弹性)滞弹性 材料在快速加载或卸载后,随时间的延长材料在快速加载或卸载后,随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能,又称而产生的附加弹性应变的性能,又称弹性后效。弹性后效。弹簧弹簧薄膜传感器薄膜传感器动画引自九江学院杜大明材料科学基础ppt非理想弹性变形非理想弹性变形 44滞弹性示意图滞弹性示意图ABab
25、cedOH正弹性后效正弹性后效加载时应变落后于应力加载时应变落后于应力反弹性后效反弹性后效卸载时应变落后于应力卸载时应变落后于应力45定义定义:材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理同时存在的一种力学行为:材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理同时存在的一种力学行为粘性粘性:液体或溶体内质点间或流层间因相对运动而产生的内摩擦力以反抗相对运:液体或溶体内质点间或流层间因相对运动而产生的内摩擦力以反抗相对运动的性质。动的性质。(2 2)粘弹性粘弹性特征:特征:应变对应力的响应不是瞬时完成的,需要通过应变对应力的响应不是瞬时完成的,需要通过一个驰豫过程,卸载不留残余变形;应力和应变的关系与一个驰豫过
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