高分子化学与物理第九章高分子固体的力学性质思维导图

一篇关于高分子化学与物理第九章高分子固体的力学性质思维导图，包含玻璃态和晶态高分子的力学性质、高聚物的屈服等。

高分子固体的力学性质

• 玻璃态和晶态高分子的力学性质
  • 表征材料力学性质的基本物理量
    • 受力方式
      • 简单拉伸
        • 外力与截面垂直
      • 简单剪切
        • 外力F是与界面平行，大小相等方向相反
      • 流体静压缩
        • 材料收到的是围压力
    • 简单拉伸
      • 拉伸应力σ
        • 受力与初截面积的比值
      • 拉伸应变ε
        • 长度变化量与初长度的比值
      • 杨氏模量E
        • 应力与应变之比，反应材料抵抗形变能力的大小，模量越大，材料刚度越大
      • 泊松比ν
        • 横向收缩对轴向伸长之比
    • 简单剪切
      • 剪切应变
        • 剪切力与剪切面积之比
      • 剪切模量
        • 剪切力与剪切应变之比
    • 流体静压缩
      • 压缩应变
      • 压缩模量
  • 高分子材料的应力-应变曲线
    • 非晶态高分子的应力-形变曲线
      • • 0-A为弹性形变，服从虎克弹性定律，A-B为强迫高弹形变，中间经过屈服点Y，运动单元为链段
    • 晶态高分子的应力-形变曲线
      • • 0-A为弹性形变，服从胡克定律，运动单元为键长、键角，εA为弹性伸长极限。A-B为强迫高弹形变，运动单元为链段，达到屈服点Y后形成细颈，界面变得不均匀，Y后进入细颈发展阶段，伸长不断增加而应力几乎不变或变化不多，细颈与非细颈部分的截面积分别维持不变，而细颈部分不断扩展，非细颈部分不断缩短，直至整个试样完全变细。最后成颈高分子试样被均匀拉伸，应力随拉伸增大而增大，直至试样断裂。
    • 不同温度影响高聚物的应力-形变曲线
• 高聚物的屈服
  • 屈服点的特征
    • 细颈现象
  • 屈服点的判断依据
    • 真应力对伸长比的一阶导数与其比值相等
    • 图像上：过原点与真应力-拉伸比曲线相切的点为屈服点
      • 没有屈服点-不能形成细颈
      • 1个屈服点-能成颈，但不稳定
      • 多个屈服点-可以形成稳定细颈
  • 银纹屈服
    • 高分子材料在使用和存贮过程中，受张应力或环境作用在材料表面产生微裂纹的现象
    • 空化条纹形变区，银纹是断裂的先导
    • 银纹与裂缝的区别
      • 银纹体中高聚物的体积分数为40-60%，裂缝中为0
      • 银纹具有可逆性，压力或Tg以上退火时，银纹能回缩后消失，裂缝则不能
  • 剪切屈服
    • 韧性高聚物在拉伸时，在是养伤出现大约与拉伸方向成45度角倾斜的剪切滑移变形带。由于剪切带中存在较大的剪切应变。产生剪切带时，材料发生屈服
    • 银纹屈服与剪切屈服的区别
      • 剪切屈服没有明显的体积变化
      • 剪切屈服在外加剪切力、拉伸应力、压缩应力下都能引起，而银纹屈服只在拉伸应力在发生。
• 高聚物的断裂与强度
  • 脆性断裂与韧性断裂
    • 内在任性-断裂前吸收大量的能量
    • 脆性：应力形变曲线为线性，断裂能不大，断裂面光滑
    • 韧性：应力形变曲线非线性，断裂能很大，断裂面粗糙
    • 脆性和韧性取决于实验条件，温度与测试速率
      • 恒定的应变速率下，低温脆性形式向高温韧性形式转化
      • 恒定温度下，应变速率上升，表现为脆性形式，应变速率下降，表现为韧性形式
  • 高聚物的理论强度与实际强度
  • 断裂理论
    • 裂缝理论
      • 断裂需要形成新的表面，需要一定的表面能，断裂产生新表面所需要的表面能是由材料内部弹性储能减少来获得的
      • 弹性储能在材料中的分布是不均匀的，裂缝处有更多的弹性储能来供给产生新表面所需的表面能，致使材料断裂缝处先行断裂
    • 断裂的分子理论
      • 断裂是个松弛的过程，宏观断裂是微观化学键断裂的热活化过程
      • 当原子热运动的无规热涨落超过舒服能垒时，化学键解离从而发生断裂。
  • 影响高聚物拉伸强度的因素
    • 聚合物结构
      • 高分子链结构
        • 高分子材料强度上限决定与主链化学建力与分子链间作用力，增加极性或形成氢键可以提高强度
        • 主链或侧链含有芳杂环时，强度和模量较高
        • 支化度增加，分子间距增大，作用力下降，强度下降
        • 交联可以减少形变，提高强度。过度交联会使材料变硬、脆，材料强度下降
        • 分子量
      • 结晶与取向
        • 结晶度提高，拉伸强度、抗弯强度、弹性模量均提高
        • 取向后，可使材料的强度提高几倍或几十倍。取向是提高合成纤维强度的必不可少的措施，取向后，延取向方向断裂时，破坏主价键的比例增加
      • 应力集中物
        • 应力集中物是指材料中的裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质。受力时，这些缺陷的附近范围应力急剧增加，可达平均应力值的几十到几百倍，导致材料破坏。
          • 产生原因
            • 混炼不均，塑化不足，夹气
            • 混入杂质
            • 冷却速度不同，产生内应力
      • 增塑剂
    • 外界条件
      • 拉伸速度
        • 拉伸强度、屈服强度随拉伸速度提高而提高
          • 高聚物作为一种粘弹性材料，其破坏过程是一个松弛过程，当拉伸速度提高时，链段运动跟不上外力作用，为使材料屈服，需要更大的力
      • 温度
        • 降低温度强度增加
• Boltzmann叠加原理
• 时温等效原理
  • 要使高分子链段产生足够大的活动性才能表现出高弹性形变，需要一定的松弛时间，要是整个高分子链能够移动而表现出粘性流动，也需要一定的松弛时间
  • 当温度升高时，链段运动加速，所以同一个力学行为在较高温度下，在较短时间内看到，同一力学行为亦可以在较低温度，较细长时间内看到。多以升高温度等效于演唱观察时间。对于交变力的情况下，降低牝鹿等与延长观察时间
  • 借助转换银子可以将某一温度下测定的力学数据，变成另一温度下的力学数据，这就是时温等效原理。
• 粘弹性模型
  • Maxwell模型
    • 由一个弹簧和一个粘壶串联而成
      • 应力相同，应变为两个元件之和
    • Maxwell模型运动方程式
  • 开尔文模型
    • 弹簧与粘壶并联而成
      • 应变相同，应力为两个元件之和
  • Maxwell模型在恒应力情况下不能反映出松弛行为
  • Kelvin模型在恒应变情况下不能反映出应力松弛
  • 四元件模型
    • Maxwell和Kelvin串联
• 高分子弹性体的力学性能
  • 高弹性的特点
  • 平衡态高弹性热力学分析
    • 高弹形变可以分为平衡态形变和非平衡态形变两种
    • 可以用热力学第一定律和第二定律来分析
  • 橡胶的使用温度
    • 拉伸时熵减少，ds为负值，拉伸过程放出热量
    • 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
  • 应力松弛
    • 对于一个线性黏弹体来说，在应变保持不变的情况下，应力随时间的增加而逐渐衰减，这一现象叫做应力松弛
    • 应力松弛和蠕变是一个问题的来年各个方面，都反映了高聚物内部分子的三种运动情况
      • T>>Tg 链段易运动，收到的内摩擦力很小，分子很快顺着外力方向调整，内应力很快消失
      • T<<Tg 虽然链段收到很大的应力，但由于内摩擦力很大，链段运动能力很小，所以应力松弛极慢，依旧不容易察觉到
      • T接近Tg 应力松弛可以明显被察觉到
  • 滞后现象
    • 高聚物在交变力的作用下，形变落后于应力变化的现象
      • 链段在运动时要收到内摩擦力的作用，当外力变化时链段的运动还跟不上外力的变化 ，形变落后于应力，有一个相位差，越大，说明链段运动越困难，越是跟不上外力的变化
      • 高聚物的滞后现象与本身化学结构有关，通常刚性分子的滞后现象小，柔性分子滞后现象严重，柔性分子滞后现象严重
      • 滞后现象还收到了外界条件的影响
        • 外力作用频率：频率低滞后现象小
        • 温度：温度高，链段运动快，滞后现象小
  • 粘弹性
    • 高聚物的力学松弛现象
      • 蠕变、应力松弛、滞后、力学损耗
    • 蠕变
      • 在一定温度和恒定的外力作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象
        • 普弹形变
          • 键长键角在收到外力作用后立即发生变化，形变量很小，外力去除后，普弹形变立刻完全恢复，与时间无关
        • 高弹形变
          • 分子链通过链段运动逐渐伸展的过程，形变量比普弹形变大得多，形变与时间成指数关系，外力除去高弹形变逐渐恢复
        • 黏性流动
          • 分子间无交联的线性高聚物，则会产生分子间的相对滑移，他与实践成线性关系，外力除去后，黏性形变不能恢复，是不可逆形变
        • 高聚物收到外力作用时，三种形变时一起发生的，三种形变的相对比例依据不同具体条件不同而不同
          • T<Tg 普弹形变为主
          • T>Tg普弹形变和高弹形变
          • T>>Tg 三种都比较显著
        • 不同种类的高聚物蠕变行为不同
          • 线性非晶高聚物
          • 交联高聚物蠕变
          • 晶态高聚物的蠕变
  • 力学损耗