高分子材料性能及测试

高分子材料性能学及测试高分子材料性能学2一、材料分类金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料绪论高分子材料性能学31.塑料热固性塑料(酚醛、脲醛等)热塑性塑料(PE,PP,PVC,PS,PMMA等)塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107~108Pa；受力形变可达百分之几至几百。高分子材料性能学42.橡胶：天然橡胶(聚异戊二烯)合成橡胶(顺丁,丁苯,丁腈,氯丁橡胶)室温弹性高；形变大（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小，约105~104Pa。高分子材料性能学53.纤维聚酯纤维(涤纶，如PET)聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶）腈纶(PAN)丙纶(PP)维纶（PVA）弹性模量较大，约109~1010Pa。形变小，机械性能随温度变化不大高分子材料性能学6二、材料的四要素成分/结构、制备/工艺、性质和使用性能成分/结构、制备/工艺决定固有性质性质决定使用性能使用性能决定材料的用途高分子材料性能学7高分子科学各课程间的联系成分/结构、制备高分子化学聚合反应工程加工工艺、成型高分子成型与加工结构与性能关系高分子物理材料的使用性能高分子材料性能学材料的分类与应用高分子材料理论和物质基础实用价值实际应用高分子材料性能学8三、材料性能的概念1.材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或表现2.表征材料响应行为发生程度的参数，即性能指标（如模量、强度等）高分子材料性能学9力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性性能划分物理性能：热学、磁学、电学、光学四、材料性能的划分高分子材料性能学10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—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材料软硬程度变形能力弹性、塑性材料脆性硬度韧性材料抵抗外力能力强度高分子材料性能学11高分子材料性能学12五、材料性能的四个方面宏观表征：表征材料性能的参数，如强度、硬度微观本质：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影响因素：内因（材料结构），外因（温度等）性能测试：测试原理、设备、方法高分子材料性能学13六、高分子材料性能学的主要内容高分子材料的常规力学性能（6课时）高分子材料的高弹性与粘弹性（5课时）高分子材料的断裂（5课时）高分子材料的力学强度（5课时）高分子材料的疲劳性能（3课时）高分子材料的磨损性能（3课时）高分子材料的热、电、磁、光学性能（15课时）高分子材料的老化性能（4课时）高分子材料性能学14七、本课程的主要学习任务1.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3.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高分子材料性能学15八、本课程的学习方法预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、高分子物理学习方法：性能的基本概念——物理本质——影响因素——性能指标的工程意义——指标的测试与评价理论联系实际、重视实验高分子材料性能学16八、参考书目1.《材料性能学》王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年2.《材料性能学》张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年3.《高分子物理》何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年4.《高分子物理》金日光等主编，化学工业出版社，2007年5.《高聚物的力学性能》何平笙编著，中国科学技术大学出版社，2008年6.《高分子材料强度及破坏行为》傅政编，化学工业出版社，2005年7.《高分子材料强度学》朱锡熊等编，浙江大学出版社，1992年8.《高分子概论》代丽君等主编，化学工业出版社，2006年9.《高分子材料概论》吴奇晔等编，机械工业出版社，2004年10.《近代高分子科学》张邦华等编，化学工业出版社，2006年高分子材料性能学17第1章高分子材料的常规力学性能高分子材料性能学18力学性能：高分子材料抵抗变形和断裂的能力弹性:材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力强度:是材料对变形和断裂的抗力寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能力失效：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。常见的三大失效形式：磨损、腐蚀、断裂高分子材料性能学191.1力学性能的基本指标1.1.1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，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化就称为应变，亦可称为形变。定义单位面积上的附加内力为应力。高分子材料性能学20（1）简单拉伸外力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.拉伸应变：000lllll拉伸应力：0AFA0l0llAFF高分子材料性能学21真应力-真应变真应力：真应变:证明？AF真00ln0llldldll真)1ln(lnln000lllll真)1(真真,真,真应力-应变曲线工程应力-应变曲线高分子材料性能学22（2）简单切变材料受到的力F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γ剪切应变：剪切应力：θγtan0AFA0FF高分子材料性能学23（3）均匀压缩材料受到的是围压力（流体静压力）P。发生体积形变，体积由V0缩小至V。压缩应变：000VVVVVVA0高分子材料性能学241.1.2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，是材料容易形变程度的一种表征。拉伸模量（杨氏模量）E：剪切模量（刚性模量）G：压缩模量（本体模量）K：EGVPK高分子材料性能学25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为泊松比，以ν表示00llmm轴向应变横向应变可以证明没有体积变化时，υ＝0.5，橡胶拉伸时就是这种情况。其他材料拉伸时，υ0.5.高分子材料性能学26υ与E和G之间有如下关系式：E=2G(1+υ)因为0υ≤0.5，所以2GE≤3G。也就是说EG，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；剪切时是层间错动，较容易实现。高分子材料性能学27单轴取向高分子材料2个杨氏模量：El为纵向杨氏模量Et为横向杨氏模量2个切变模量：Gtt为横向切变模量Glt为纵向切变模量1个本体模量K2个泊松比：对纵向力为Vtt对横向力为Vtl高分子材料性能学28双轴取向高分子材料5个独立的弹性模量：Ep为面向杨氏模量Et为侧向杨氏模量Gp为面向切变模量Gt为侧向切变模量。2个泊松比：对面向力为Vpt对侧向力为Vtp高分子材料性能学291.2高分子材料的分子运动和力学状态转变1.2.1高分子材料的分子运动特点（1）运动单元和模式的多重性（2）分子运动的时间依赖性/0textx（3）分子运动的温度依赖性RTEoe/高分子材料性能学301.2.2高分子材料的力学状态及转变●线型非晶态高聚物的形变-温度曲线ABCDETbTgTfT/℃形变%A-玻璃态B-过渡区C-高弹态D-过渡区E-黏流态Tb-脆化温度；Tg-玻璃化温度；Tf-黏流温度高分子材料性能学31●线型非晶态高聚物的三种物理状态的对比三种物理状态运动单元力学行为特征应用玻璃态Tb～Tg键长、键角基团形变小，并且形变可逆，属于普弹性能。结构类似玻璃，弹性模量大。塑料、纤维高弹态Tg～Tf链段形变大，形变可逆，弹性模量较小。橡胶黏流态Tf～Td链段、大分子链形变为不可逆，属于永久形变，无强度。流动取决于相对分子质量大小。成型加工、油漆、黏合剂高分子材料性能学32●结晶态高聚物的形变-温度曲线12形变%TgTmTfT/℃1-相对分子质量较小2-相对分子质量很大TgTTm高弹态TTf粘流态高分子材料性能学33●交联高聚物的温度-形变曲线Tε交联度增加交联度较小时：有Tg，根据环境温度高或低于Tg，可判断材料处于高弹态或玻璃态。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高分子材料性能学341.3高分子材料的拉伸行为哑铃状试件L0=5.65A01/2或11.3A01/2高分子材料性能学35y-屈服点e-弹性极限点冷拉σε应变软化应变硬化ebyebyp-比例极限ppb-断裂点p-比例极限1.3.1线型非晶态高聚物的应力-应变曲线高分子材料性能学36拉伸过程高分子链的三种运动情况：▲弹性形变（开始～e点）▲强迫高弹形变▲塑性变形ey（屈服点）高分子材料性能学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高分子材料性能学38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。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化和熵变两部分组成。高分子材料性能学39弹性变形的特点1)可逆性：去掉外力后变形消失弹性变形都是可逆变形2).金属、陶瓷或结晶态高聚物：应力-应变线性关系，弹性变形量都较小3).橡胶态的高聚物：应力-应变不呈线性关系，且变形量较大高分子材料性能学40弹性变形的力学性能指标（1）弹性模量：是单位应变所需应力的大小，物理意义是产生100%弹性变形所需的应力。（2）比例极限σp：是保持应力与应变成正比关系的最大应力，即在应力-应变曲线上刚开始偏离直线时的应力0AFpp（3）弹性极限σe：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。0AFee高分子材料性能学41（4）弹性比功：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αe表示，它在数值上等于应力-应变曲线弹性段以下所包围的面积eeeoEaeeee2212提高弹性比功的方法：提高σe降低E（提高弹性极限应变εe）橡胶低E和高弹性应变—高弹性比功高分子材料性能学42非理想弹性理想弹性行为：E（1）.应变-应力线性（2）.应力和应变同相位（3）.应变是应力的单值函数高分子材料的非理想弹性行为：滞弹性、粘弹性、内耗高分子材料性能学43（1）滞弹性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，又称弹性后效。弹簧薄膜传感器动画引自九江学院杜大明《材料科学基础》ppt非理想弹性变形高分子材料性能学44滞弹性示意图ABabcedOH正弹性后效加载时应变落后于应力反弹性后效卸载时应变落后于应力高分子材料性能学45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动的性质。（2）粘弹性特征：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时间有关。高分子材料性能学46（3）内耗理想弹性行为高分子材料性能学4711εσ011ACDBE橡胶拉伸和回缩的应力-应变曲线内耗也称为材料循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆变形供的能力，又称消振性高分子材料性能学48塑性变形是微观结构的相邻部分产生永久性位移，而不引起材料断裂的现象。塑性变形是一种不可逆变形.塑性变形主要是由于切应力引起的。材料塑性变形过程中仍然保留着弹性变形，所以整个变形过程是弹性加塑性变形过程，可称为弹塑性变形。高分子材料性能学49高分子材料的塑性变形结晶态高分子材料:塑变机制：塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程高分子材料性能学50非晶态高分子材料：塑变机制：在正应力作用下形成银纹和切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束银纹的产生高分子材料性能学