高聚物物部分理性能测试

汇总了高聚物的常见力学性能指标及测试方法，提供了关于材料力学性能的详细概述和分类。首先，介绍了材料在受到外力作用时的不同响应，包括弹性、塑性、屈服、应变软化、硬化等现象，并给出了相关的定义和公式。详细列出了与材料力学相关的各种术语和定义，如弹性模量、比例极限、弹性极限、塑性形变、拉伸强度等，并对它们进行了分类和解释。

高聚物物部分理性能测试

• 概述
  • 材料性能：材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或表现
    • 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）
  • 高聚物性能
    • 力学性能
      • 高分子材料抵抗变形和断裂的能力
        • 弹性、塑性、硬度、韧度、强度、寿命、失效等
    • 物理性能
      • 热学、磁学、电学、光学性能等
    • 耐环境性
      • 耐腐蚀性、老化、抗辐射性能等
    • 加工成型性能
      • 熔融、流变、成型性能等
  • 力学性能测定
    • 静载荷
      • 拉伸、弯曲、压缩、扭转、硬度
    • 动载荷
      • 冲击、磨损、疲劳等
    • 高温
      • 高温力学性能
  • 聚合物力学性能特点
    • 可变性范围宽，性能多样，用途广
    • 具有独特的高弹性
    • 具有显著的粘弹性
    • 强烈地温度和时间依赖性
    • 强度低、模量低、但比强度（强度/密度）高
• 基本指标
  • 应力 应变
    • 定义
      • 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，这种变化称为应变或形变。
      • 单位面积上的附加内力为应力（常见单位：牛顿/米2，帕斯卡等）
    • 分类
      • 形变性能
        • 弹性
          • 普弹
            • 玻璃态/晶态/高聚物/金属/陶瓷等
          • 高弹
            • 橡胶等
        • 粘性
        • 粘弹性
          • 线性
            • 静态
              • 应力松弛
              • 蠕变
            • 动态
              • 滞后
              • 力学损耗
          • 非线性粘弹性
        • 形变类型
          • 拉伸
            • 与截面垂直大小相等、方向相反、同一直线
            • 应变
              • 应力
            • 杨氏模量E = s/e (单位MPa)
              • 柔量 D = 1/E
          • 剪切
            • 与截面平行、大小相等、方向相反，不在直线上
            • 应变
              • 应力
            • 剪切模量 G = t/g (单位MPa)
              • 柔量 J = 1/G
          • 压缩
            • 受围压力(流体静压力)P0,体积形变,由V0缩小至V
            • 应变
              • 应力P0
            • 模量
              • 柔量1/B
      • 断裂性能
        • 强度
        • 韧性
  • 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）B
    • 对于各向同性的材料 E = 2G(1+ν) = 3B(1-2ν)
      • 0<υ≤0.5
        • 2G<E≤3G
          • 拉伸比剪切困难
      • 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
      • 单轴取向高分子材料
        • 模量：2个E、2个G、1个本体
        • 2个泊松比
      • 双轴取向高分子材料
        • 5个独立的弹性模量
        • 2个泊松比
    • 泊松比n
      • 横向形变与纵向形变之比，一般材料ν约为0.2~0.5
• 高分子材料力学性能
  • 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
        • ③分子运动的温度依赖性
  • 过程：弹性形变→屈服→应变软化→冷拉→应变硬化→断裂
    • 拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而试样仍继续发生明显的塑性形变，称为屈服，产生屈服现象时的最小应力值为屈服点。
  • 拉伸过程高分子链的三种运动情况
    • 弹性形变(开始～e点)
      • 随外力消除而消失
        • 指标
          • 弹性模量、比例极限、弹性极限
          • 弹性比功
            • 材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功
            • • 橡胶：高弹性比功
    • 强迫高弹形变
      • 玻璃态的聚合物受外力作用被迫产生高弹形变
    • 塑性变形
      • 也叫残余变形，外力消除后不能消失
  • 高分子弹性形变
    • 理想弹性行为
      • 弹性服从虎克定律
    • 非理想行为
      • 滞弹性
        • 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
        • 应变落后于应力，有一个时间的滞后
        • 应变不仅与应力有关，而且与时间有关，弹性模量也依赖于时间
        • 应变在应力卸除后可以完全回复到原始形状和尺寸，只是要经过充分长时间才能到达;与非弹性体有明显区别
      • 粘弹性
        • 在外力作用下弹性和粘性两种变形机理同时存在
          • 高聚物独特的力学行为
            • 对温度和时间有强烈的依赖关系
        • 也称力学松弛
          • 静态
            • 蠕变
              • 固定σ和T, ε随t增加而逐渐增大
                • 影响尺寸稳定性
                  • 挂东西的塑料绳慢慢变长
                    • 防:减小链的质心位移
            • 应力松弛
              • 固定ε和T, σ随t增加而逐渐衰减
                • 橡胶松紧带越来越松
                  • 消除:退火或溶胀
          • 动态
            • 滞后
              • 在一定温度和交变应力下，应变滞后于应力变化。
            • 力学损耗
              • ε的变化落后于σ的变化，发生滞后现象，则每一个循环都要消耗功，称为内耗
  • 塑性形变
    • 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
        • 主要由切应力引起
    • 结晶态
      • 由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程
    • 非晶态
      • 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
          • 应力发白现象
            • 进一步发展→裂缝→脆性断裂
    • 力学性能指标
      • 屈服极限
        • 屈服平台的应力
      • 抗拉强度σb
        • 试样拉断前所承受的最大应力
      • 伸长率和断面收缩率
  • 性能表征
    • 拉伸试验： 抗张(拉伸)强度
      • 衡量材料抵抗拉伸破坏的能力
        • 试样断裂前所受的最大负荷P与试样横截面积之比为抗张强度
      • 拉伸试验:最常用的一种测试方法
        • 适用材料：金属、塑料、弹性体、纸张、复合材料、橡胶、纺织品、粘合剂、薄膜等
        • 试验仪器：万能试验机，高速试验机等
      • 拉伸的实验数据可以反映材料的弹性，韧性，强度，延展性等力学性能
      • 按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形
        • 脆性材料
          • 在拉伸断裂前不发生塑性变形，只发生弹性变形
        • 塑性材料
          • 在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形
            • 高塑性
              • 断裂前不仅产生均匀伸长，而且发生颈缩现象，且塑性变形量大
            • 低塑性
              • 断裂前只发生均匀伸长，不发生颈缩，且塑性变形量小
      • 影响因素
        • 温度、应变速率、化学结构、结晶
    • 冲击试验： 冲击(抗冲)强度
      • 试样受冲击负荷时单位截面积所吸收的能量
        • 等于断裂时冲击头所做的功W，
          • 衡量材料韧性的一种指标
      • 冲击试验是确定军用、民用设备在经受外力冲撞或作用时产品的安全性、可靠性和有效性的一种试验方法
      • 适用材料：多种材料，高分子，复合材料，金属，木材，陶瓷，玻璃，纺织品等等
      • 试验仪器：冲击试验机（摆锤式和落锤式） ：手动冲击试验机、半自动冲击试验机、全自动冲击试验机
    • 弯曲试验： 抗弯强度
      • 即挠曲强度或弯曲强度
        • 规定的试验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂
          • 若最大的负荷为P，则
      • 弯曲试验
        • 三点弯曲和四点弯曲
    • 压缩试验： 压缩强度
      • 规定的试验温度、湿度和压缩速度下，在试样上施加载荷直 至破裂（脆性材料）或产生屈服强度（非脆性材料）
      • 压缩试验：测定材料的压缩负载或抗压性的试验方法；或受到特定的压缩负载并保持一段设定时间后的恢复能力；及载荷下可承受的最大应力
      • 多用于脆性材料
        • 单向压缩显示其在静拉伸所不能反映的韧性状态下的性能；多向不等压缩适用于脆性更大的材料，反映材料的微小塑性差异
        • 对于塑性材料，无法测出压缩强度极限，但可以测量出弹性模量、比例极限和屈服强度等
    • 扭转试验
      • M—f（扭矩－扭转角）曲线
        • 测定在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性
        • 对表面硬度及表面缺陷的反应十分敏感，可用来研究表面强化工艺
        • 测定材料的切断强度的最可靠方法
    • 疲劳强度
      • 在一个静态破坏力而又小量交变循环的环境下，使材料破坏的强度
        • 疲劳是循环加载条件下，发生在材料某点处局部的、永久性的损伤递增过程
    • 剪切试验
      • 剪切强度是指材料承受剪切力的能力，指外力与材料轴线垂直，并对材料呈剪切作用时的强度极限
    • 摩擦和磨耗
      • 耐磨损性:材料经受逐渐从其表面磨去材料的机械作用(如摩擦、刮削或腐蚀)的能力。
      • 磨损与摩擦力、载荷和实际接触的面积有密切关系。
    • 硬度
      • 衡量材料软硬程度的一种力学性能，物理意义是材料在表面上的不大的体积内抵抗变形（压入法）或者破裂（刻划法）的能力。
      • 根据测试仪器不同分为邵氏硬度、洛氏硬度、布氏硬度等
• 聚合物的断裂与强度
  • 脆性断裂与韧性断裂
    • 脆性断裂与韧性断裂依赖于温度和应变速率：提高温度或降低应变速率时，脆性→韧性
    • 温度或降低应变速率对断裂应力影响不大，对屈服应力的影响显著。
    • Tb：脆－韧转变温度
      • 当T<Tb时，应力下形变的后果是脆性断裂
        • T>Tb时先发生屈服
      • Tb越低时，表示材料的韧性越好
        • 提高应变速率，Tb升高；缺口的存在，会使Tb大幅升高
  • 断裂强度
    • 拉伸强度
      • 拉伸模量
        • 抗弯强度
          • 弯曲模量
            • δ：挠度，试样着力处的位移
  • 影响聚合物强度的因素
    • 高分子材料断裂的微观形式
      • 聚合物的断裂要破坏分子内的化学键和分子间的范德华力与氢键
      • 化学键破坏、分子间滑脱、范德华力或氢键破坏三种形式
    • 影响因素
      • 高分子本身的结构
        • 极性和氢键、链规整性、交联、链刚性、M及MWD、结晶与取向、共聚与共混、增塑、填料等
        • 大分子结构
          • 化学键、分子间力↑；分子极性↑，有氢键→强度↑
          • 适度交联，交联度（40-60％）；分子量↑→强度↑， E↑
          • 分子量分布宽，低分子量部分相当于增塑剂→强度↓
        • 结晶和取向
          • 晶态高聚物中的微晶与物理交联相似，一定程度的结晶，有利于E↑，拉伸强度↑等
          • 球晶尺寸越大，强度越高，但冲击强度下降
          • 取向
            • 取向方向上，拉伸强度↑
          • 交联、结晶、增加链的刚性（分子链本身的刚性加上分子间相互作用力）有利于聚合物强度和耐热性的提高，是提高塑料性能的三大法宝。
        • 共聚与共混
          • 共聚：可以综合均聚物的性能，St—AN共聚物，抗张强度↑，抗冲↑
          • 共混：增韧或增强，取决于两组分的性能
        • 增塑剂
          • 增塑剂的加入使聚合物分子间相互作用↓，分子活动性↑，因而E↓，拉伸强度↓，韧性↑
        • 填料
          • 惰性填料（CaCO3、滑石粉等）：断裂强度↓
            • 活性填料（CB、碳纳米管等）：断裂强度↑
        • 应力集中物（汽泡，空洞，杂质）和内应力的存在，强度↓，经表面处理或退火处理后，强度↑。
        • 外力作用速度↑（≈t↓），使某种分子运动或转变的机会↓，因而E↑，σb↑ ，σy↑。 应变速度越高，倾向于脆性断裂，强度增大
        • T↓ ，σb↑ ，σy↑，硬而脆
          • T↑，σb ↓ ，σy↓，软而弱
            • 温度越高，倾向于韧性断裂，强度降低
      • 成型加工过程
        • 气泡、空洞、杂质、内应力等
      • 使用条件
        • 热光氧老化、外力作用频率、温度及湿度、受力状态等
  • 增强
    • 通过复合来显著提高材料力学强度的作用
      • 增强效果主要取决于填料的种类、尺寸、用量、表面性质（亲和性）以及填料在高分子基材中的分散状况
    • 粒子增强
      • 活性填料活性表面（羧基、酚基、醌基）同聚合物作用产生了附加的交联结构，因此，加入填料的增强效果同其在聚合物中浸润性关系很大，浸润性越大，补强越明显。
    • 纤维增强：纤维作为骨架帮助基体承担载荷
  • 增韧
    • 韧性：断裂前发生塑性形变吸收能量的能力
      • 材料韧性的度量-冲击强度，单位kJ/m或kJ/m2
    • 影响冲击强度的因素
      • 分子结构
        • 增加极性或产生氢键冲击强度增大；但若极性基团过密或取代基团过大，则会降低
        • 支化程度提高→可能提高冲击强度
        • 适度交联和适当的双轴取向→冲击强度提高
        • 结晶度增高，冲击强度与断裂伸长率都降低；球晶尺寸增大，冲击强度降低
        • 适量地加入增塑剂，可提高冲击强度
      • 温度
        • 温度升高，韧性断裂，冲击强度提高
      • 外力作用速度
        • 应变速率升高，脆性断裂，冲击强度降低
    • 途径 机理
      • 弹性体增韧
        • 银纹和银纹-剪切带机理
          • 橡胶粒子的存在促进了塑料相的形变，使塑料相易于发生剪切屈服或发生银纹。
      • 刚性有机粒子增韧
        • 裂缝弯曲和裂缝弯弓机理
      • 超细无机粒子增韧
• 银纹
  • 原因
    • 力学因素（拉应力、弯应力）
    • 环境因素（与某些化学物质相接触）
  • 分类
    • 应力银纹/环境银纹/溶剂银纹
  • 银纹和裂缝的区别
    • 裂缝是宏观开裂,内部质量为零
    • 银纹内部有物质填充着,质量不等于零,可逆性
• 细颈
  • 屈服时，试样出现的局部变细的现象
  • 位置
    • 样条尺寸：横截面小的地方
    • 应变软化：应力集中的地方
  • 原因
    • 自由体积增加
    • 松弛时间变短
      • 无外力
      • 有外力
• 力学性能
  • 弹性
    • 在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力
  • 塑性
    • 在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力
  • 变形能力
  • 强度
    • 材料对变形和断裂的抗力
  • 韧性
    • 断裂前发生塑性形变吸收能量的能力
  • 材料抵抗外力的能力 （断裂性能）
  • 硬度
    • 衡量材料软硬程度
  • 寿命
    • 在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能力
  • 失效
    • 在载荷与环境作用下，无法抵抗变形和断裂而损坏
      • 三大失效形式：磨损、腐蚀、断裂
  • 研究目的
    • 获得描述聚合物力学行为的数据和一般规律
    • 深入了解力学性能与分子结构的内在联系