高分子物理之9全解课件.ppt

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1、第九章聚合物的屈服和断裂,学习目的与要求掌握高聚物的各种力学性能 能够正确分析各种应力-应变曲线 熟悉影响强度的因素了解复合材料的力学性质与各组成的关系,如：某高聚物摩擦、磨耗性能优良，但力学性能不好，很脆不能用它作减摩材料,力学性能是高聚物优异物理性能的基础,如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它们有一定的力学性能：强度和韧性。如果折叠几次就破裂，那么这种材料的电绝缘性虽好，也不能用作电线。,本章的主要内容材料的力学概念高聚物的塑性和屈服高聚物的断裂与强度复合材料的力学性质,第九章聚合物的屈服和断裂,9-1材料的力学概念,常见的材料力学术语,材料受力超过其所能承受的能力，材料就要发生破坏。机械

2、强度是材料抵抗外力破坏的能力。对于各种不同的破坏力，有不同的强度指标。采用不同的仪器设备和测试方法，可以得到不同的强度。为了规范化，国际标准化组织（ISO）制定了各种国际标准，各国据此制定了国家标准。,1、机械强度,9-1材料的力学概念,(1)拉伸强度 在规定的试验温度、湿度和试验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷，直到试样被拉断为止，断裂前试样承受的最大载荷P与试样宽度b和厚度d的乘积的比值。t=P/bd,Instron 5569电子万能材料试验机（electronic material testing system）,但要注意试样宽度与厚度在拉伸过程中是随试样拉伸而逐渐减小的，由于达到

3、最大载荷时的b、d值的测量很不方便，工程上一般采用起始尺寸来计算拉伸强度。由于整个拉伸过程中，高聚物的应力和应变的关系并非线性的，只要当变形很小时，高聚物才可视为虎克弹性体，因此拉伸模量（扬氏模量）通常由拉伸初始阶段的应力应变计算：E=（P/bd）/（l/l0）式中P 为变形较小时的载荷。,(2)弯曲强度 也称挠曲强度，是在规定试验条件下，对标准试样施加静弯曲力矩，直到试样被折断为止，试验过程中最大载荷P，按下式计算弯曲强度 弯曲模量为 L0，b，d-试样的长、宽、厚；P，0-弯曲形变较小时的载荷和绕度。挠度是试样着力处的位移。,(3)冲击强度 是衡量材料韧性的一种强度指标，表征材料抵抗冲击载

4、荷破坏的能力。通常定义为试样受冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。式中W为冲断试样所消耗的功。冲击强度的测试方法很多，应用较广的有摆锤式冲击试验、落重式冲击试验和高速拉伸等。,摆锤式冲击试验是让重锤摆动冲击标准试样，测量摆锤冲断试样所消耗的功，试样的安放方式有简支梁式和悬臂梁式。简支梁式（Charpy试验）：试样两端支撑着，摆锤冲击试样的中部；悬臂梁式（Izod试验）：试样一端固定，摆锤冲击自由端。,Charpy Impact Strength 简支梁冲击强度,简支梁式冲击试验机（Charpy）示意图,简支梁式,悬臂式,摆锤式冲击试验,试样可用带缺口的和不带缺口的两种。采用带缺口的试样是为

5、了使缺口处试样的截面积大大减小，受冲击时，试样断裂一定发生于这一薄弱处，所有的冲击能量都能在这局部被吸收，提高了试验的准确性，但在计算冲击强度时，试样的厚度指缺口处的剩余厚度。,是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有关，而硬度试验又不破坏材料、方法简便，有时作为估计材料抗张强度定义重替代方法。,2、硬度,9.2.1 应力-应变曲线 The tensile stress-strain curves,Instron Tensile Testor 电子拉力机Material testing machine 材料试验机,玻璃态聚合物在不同温度下的应力-应变曲

6、线,9-2聚合物的塑性和屈服,A,Y,B,Yielding point 屈服点,Point of elastic limit 弹性极限点,Breaking point 断裂点,Strain softening 应变软化,plastic deformation塑性形变,Strain hardening 应变硬化,非晶态聚合物在玻璃态的应力-应变曲线,y,O,N,D,典型非晶态聚合物的拉伸应力-应变曲线,以Y点为界分为二部分：Y点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形。斜率即为扬氏模量。Y点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢复原样，而留有永久变形，我们称材料“屈服”了，

7、Y点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多。Y点：屈服点 Y点时对应的应力屈服应力 Y点时对应的应变屈服应变B点：断裂点 B点对应的应力断裂应力（断裂强度）B点对应的应变断裂伸长率,Conclusion：非结晶聚合物形变经历了普弹形变、应变软化（屈服）、塑性形变(plastic deformation)（强迫高弹形变）、应变硬化四个阶段,材料在屈服点之前发生的断裂称为脆性断裂brittle fracture；在屈服点后发生的断裂称为韧性断裂ductile fracture。,9-2聚合物的塑性和屈服,你能解释吗？,弹性形变,屈服,应变软化,冷拉,应变硬化,断裂,从分子运动机理解释形变过程

8、,（Molecular motion during tensile test 拉伸过程中高分子链的运动）,从分子运动解释非结晶聚合物应力应变曲线,非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）,I Elastic deformation 普弹形变小尺寸运动单元的运动引起键长键角变化。形变小可回复,II Forced rubber-like deformation,强迫高弹形变 在大外力作用下冻结的链段沿外力方向取向,III Viscous flow,粘流形变 在分子链伸展后继续拉伸整链取向排列，使材料的强度进一步提高。形变不可回复,拉伸应力曲线反映的材料的力学性质,力 学 参 量 力 学 性 质 弹性

9、模量 刚性屈服点 弹性断裂伸长 延性屈服应力 强度（或断裂强度、抗拉强度）应力应变曲线下部的面积 韧性弹性线下部的面积 回弹性,判断高聚物软硬、强弱、脆韧的方法：,模 量,软 硬,拉伸强度,强 弱,断 裂 功,脆 韧,3、硬而强，伸长率只有5%左右，出现在屈服点附近，高相对分子量的PS、硬PVC等4、软而韧：模量低，一般不出现屈服，断裂伸长大，20-1000%，断裂强度高，软PVC、硫化橡胶等5、硬而韧，模量、屈服应力、断裂伸长都高，工程塑料。,1、软而弱 橡皮泥2、硬而脆，低分子量的PS、PMMA、酚醛树脂,画出聚合物的典型应力应变曲线，并在曲线上标出下列每一项：a抗张强度；b.伸长率；c屈

10、服点，d模量,思考题,处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中屈服点后产生的较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试样温度升到其Tg附近，该形变则可完全回复，因此它在本质上仍属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的链段运动所引起的。这种形变称为强迫高弹形变。,强迫高弹形变的定义,强迫高弹形变,强迫高弹形变产生的原因,在外力的作用下，非晶聚合物中本来被冻结的链段被强迫运动，使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚合物仍处于玻璃态，当外力移去后，链段不能再运动，形变也就得不到回复，只有当温度升至Tg附近，使链段运动解冻，形变才能复原。,强迫高弹形变,结晶聚合物的应力应变曲线,OA-普弹形变YN屈服，缩颈

11、（应变变大，应力下降）ND强迫高弹形变DB-细颈化试样重新被均匀拉伸，应变随应力增加应变硬化,晶态聚合物在单向拉伸时典型的应力-应变曲线如下图：,晶态聚合物的拉伸应力-应变曲线,在常温下处于结晶态，在TgTm之间进行应力应变实验时，包括晶区和非晶区的形变。在接近或超过屈服点时，分子都在与拉伸方向相平行的方向开始取向，同时伴随着凝聚态结构的变化，缩颈明显。,晶态聚合物的拉伸,非晶和晶态聚合物的拉伸过程本质上都属高弹形变，但其产生高弹形变的温度范围不同，而且在玻璃态非晶聚合物中拉伸只使分子链发生取向。,球晶拉伸形变时内部晶片变化示意图,而晶态聚合物在拉伸伴随着凝聚态结构的变化，包含晶面滑移、晶粒的

12、取向及再结晶等相态的变化。,非晶与结晶聚合物相比较,相似点:均经历了普弹形变，应变软化，塑性形变，应变硬化四个阶段。被拉伸后材料都出现各向异性，且产生大的形变，室温不能回复，产生强迫形变“冷拉”,不同点：冷拉的温度范围：,非晶态TbTg结晶态TgTm,对晶态聚合物拉伸过程，伴随着凝聚态结构的变化,9-2聚合物的塑性和屈服,9.2.2 细颈细颈：是高聚物塑性形变时所出现的不稳定性形变。细颈形成的原因:1.几何因素，即材料试样片尺寸在各处的微小差别所造成的。如果试样某一部分存在有效截面积小于其他部分的截面积时，则此处所受的应力就比其他部分大，因此该处将首先达到屈服点，而有效刚性也比其他部分低，继续

13、形变更为容易。2.材料在屈服点以后的应变软化，如果材料某一局部的应变稍大于其他部分（常见的是应力集中），则该局部将软化，进而使塑性不稳定性更容易发展，这一过程直至材料被取向硬化而被阻止。,冷拉Cold drawing,Necking and cold drawing,脆性聚合物在断裂前试样并没有明显变化，断裂面一般与拉伸方向垂直，而且很光洁,韧性聚合物在屈服后产生细颈（neck），之后细颈逐渐扩展，应变增加而应力不变，这种现象称为冷拉（cold drawing），直至细颈扩展到整个试样，应力才重新增加并使试样断裂,冷拉是强迫高弹形变，对于非晶聚合物，主要是链段取向；对于结晶聚合物，主要是晶粒的

14、变形,9-2聚合物的塑性和屈服,细颈的判断方法-Considre作图法（自学）在拉伸过程中，由于形变很大，试样的截面缩小很多，则按原始截面积 计算应力 是不合适的，必须将改成瞬时截面积，则此时真应力。任何时候。定义伸长比。由 或 点向-曲线引一条切线，其交点处满足，此点即为屈服点。,Considre作图法,拉伸出现细颈曲线,真1,真,只能成颈不能冷拉,6-2高聚物的塑性和屈服,9-2聚合物的塑性和屈服,拉伸不出现细颈曲线,冷拉高聚物曲线,真,真,总是大于,既能成颈以能冷拉,用作图法求出某材料的屈服点,思考题,高分子链运动的特点，有明显的时间、温度依赖性松弛特性，所以外力作用速度（拉伸速率）和温

15、度对聚合物的应力-应变曲线有明显的影响。硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也会发生大于100%的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。,9.2.3 外界条件对聚合物的拉伸破坏行为的影响,TTf，粘流态-5,非晶聚合物在不同温度下的-曲线如图：,1、温度的影响,曲线1：在硬玻璃态（TTb）：直线关系，形变小，高模量，原因是由侧基等运动单元引起键长键角的变化引起。,曲线4：处于高弹态，无缩颈，不出现屈服点，形变大，原因是在不大外力作用下的高分子链沿外力取向，产生高弹形变。,曲线5：粘流态，熔体，模量很小。不可逆形变。,分析：,曲线2、3：TbTTg，软玻璃态：出现一个大的形变强迫高弹形变，外力除

16、去后，形变不能回复，但是温度升高到玻璃化温度时，形变回复。,总之，温度升高，材料逐步变软变韧，断裂强度下降，断裂伸长率增加；温度下降，材料逐步变硬变脆，断裂强度增加，断裂伸长率减小。,外界条件对聚合物的拉伸破坏行为的影响,Strain rate：,2、应变速率的影响,Stress-strain curve of PS,不同应变速率下聚合物的断裂模式,因为链段运动是松弛过程，外力的作用使松弛时间下降 若链段运动的松弛时间与外力作用速率相适应，材料在断裂前可发生屈服，出现强迫高弹性，表现为韧性断裂 若外力作用时间越短，链段的松弛跟不上外力作用速率，为使材料屈服需要更大的外力，材料的屈服强度提高，材

17、料在断裂前不发生屈服，表现为脆性断裂,解释原因,所以，降低温度与提高外力作用速率有同样的效果。,聚合物的许多应力应变曲线中，屈服点和断裂点之间的区域是一平台。这平台区域的意义是什么?温度升高或降低能使平台的尺寸增加或减少?,思考题,9.2.5 剪切带的结构形态（自学）（1）剪切带是韧性聚合物在单向拉伸至屈服点时出现的与拉伸方向成约45角倾斜的剪切滑移变形带；（2）剪切带的厚度约1m，在剪切带内部，高分子链沿外力方向高度取向，剪切带内部没有空隙，因此，形变过程没有明显的体积变化；（3）剪切带的产生与发展吸收了大量能量。同时，由于发生取向硬化，阻止了形变的进一步发展。,9-2聚合物的塑性和屈服,S

18、hear band 剪切带,在细颈出现之前试样上出现与拉伸方向成45角的剪切滑移变形带,9.2.6 银纹的产生及对性能的影响（自学）1、银纹的产生 聚合物（尤其是玻璃态透明高聚物PS、PMMA、PC）在张应力作用下，在材料的薄弱环节，应力集中产生局部应力塑性形变，而在材料表面或者内部出现垂直于应力方向长度约100m，宽度约为10 m，厚度约1 m的微细凹槽或裂纹的现象。裂纹处的折光指数低于聚合物体的折光指数，在两者的界面上发生全反射现象，看上去呈发亮的银色条纹，因此称为银纹。,9-2聚合物的塑性和屈服,银纹的微结构,微纤 Microfibril,微纤平行于外力方向，银纹长度方向与外力垂直。,也

19、称为银纹质,银纹不是空的，银纹体的密度为本体密度的50%，折光指数也低于聚合物本体折光指数，因此在银纹和本体之间的界面上将对光线产生全反射现象，呈现银光闪闪的纹路（也称应力发白）。加热退火会使银纹消失。,F,应力发白和银纹化之间的差别在于银纹带的大小和多少，应力发白是由大量尺寸非常小的银纹聚集而成。,银纹与裂纹,银纹的扩展,中间分子链断裂,扩展,形成裂纹,银纹在外力作用下可进一步发展为破坏性的裂纹另一方面，银纹的大量形成是吸收能量的过程，是实现材料屈服的一种形式,2.银纹与裂缝的区别：裂缝是空的，内部无聚合物；而裂纹内部并不是完全空的，含有40左右的聚合物仍然具有强度和粘弹现象称为银纹质联系起

20、两银纹面的树状或者片状高度取向聚合物。银纹处的密度低，折光指数低，故在界面上出现全反射现象。,银纹具有可逆性，在压力或者玻璃化温度以上退火时可回缩或者愈合，再拉伸时，它会出现。如果再受到拉伸作用，会变成裂缝，最后整个材料断裂。,9-2聚合物的塑性和屈服,张应力作用下的聚合物局部区域的塑性形变。在应力集中的区域分子链将受到较大的应力，导致沿应力方向高度取向，产生局部的冷拉，由于局部的高度拉伸应变（1000），造成了很大的横向收缩，这种局部的收缩要大于材料整体的横向收缩，结果在局部性的取向链束或片层间形成一定的空的体积，并在表面上出现凹槽。也可以发生在材料内部形成内银纹。,3.银纹产生的机理：,9

21、-2聚合物的塑性和屈服,4.产生银纹的结果：银纹可发展成裂缝，使材料的使用性能降低。银纹的产生可以改善聚合物的力学性能，它在产生时吸收能量，提高了高聚物冲击强度。,举例：抗冲击塑料：在塑料（PS）中引入橡胶分散相（Tg低，形成两相体系且边界黏着性好），橡胶颗粒在应力的作用下除了本身的形变外，还可以引起颗粒周围的塑料相产生很多银纹，银纹的产生和塑性形变，消耗了大量的冲击能量同时由一个颗粒边缘产生的银纹可为附近的另一个橡胶颗粒中止，防止了银纹发展成裂缝从而抑制了材料破坏起到增韧的作用。,9-2聚合物的塑性和屈服,一、脆性断裂与韧性断裂脆性断裂的特点是：断裂前，试样的形变均匀，致使试样断裂的裂缝迅速

22、贯穿垂直于应力方向的平面，断裂前试样没有明显的推迟形变，相应的应力-应变是线性的，断裂的应变值低于5%，断裂所需的能量不大，由张应力引起的是键长变化的结果。韧性断裂的特点是：断裂前，试样有较大的不均匀的形变，断裂面有明显的外延形变，且这种形变不能立即回复，应力-应变关系为非线性的，断裂点前其斜率可以是零，甚至是负值，消耗的断裂能很大。由剪切应力引起的链段运动的结果。,9-3聚合物的断裂与强度,Brittle-ductile Transformation脆韧转变,材料从脆性断裂向韧性断裂的转变,材料的断裂过程是松弛过程,断裂强度和屈服强度随温度的变化,断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化,两条曲线

23、的交点就是脆韧转变点,PS试样脆性断裂表面的电镜照片,增韧改性PVC韧性断裂表面的SEM照片,脆性断裂和韧性断裂断口形貌,二、影响材料脆性断裂的因素取代基通常刚性取代基将增加屈服应力和断裂应力，相反柔性取代基减小屈服应力和断裂应力。交联通常交联会增加高聚物的屈服应力，会增加材料的脆性，使脆韧转变移向高温。,9-3聚合物的断裂与强度,增塑高聚物材料中适当加入增塑剂后，不但可以降低材料的脆性断裂机会，对屈服应力的影响更大，结果使脆韧转变移向低温。取向由于取向后的材料各向异性，虽然断裂应力与屈服应力都依赖于所加应力的方向，但断裂应力比屈服应力更依赖于应力的方向，结果使取向后材料轴向方向的断裂强度增大

24、。,9-3聚合物的断裂与强度,1、强度理论,从分子水平上看，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。,三、影响强度的因素,理论强度与实际强度,理论强度的计算：分子和原子间的最大内聚力和单位面积的键数，内聚力包括键能和分子间的作用力,举例：共价键的键能为335378KJ/mol（5610-19J/键）键长1.5埃，两个原子的相互吸引力fw/d3410-9N/键，对聚乙烯分子截面为201020m2则可以计算最大理论强度：21010N/m2，而实际的抗张强度仅为108N/m2,所以，聚合物的实际强度为10100MPa，与理论强度相比有巨大的差距主要原因（1）由于材料内部存在各种缺陷

25、，缺陷造成的应力集中使局部区域的应力远高于平均应力（2）因为破坏总是先发生在某些薄弱环节，不可能是那么多的化学键或分子间作用力同时破坏（3）高分子材料的凝聚态（agglomerate state）结构不可能像理论计算时那么规整,理论强度与实际强度,6-3影响强度的因素,9-3聚合物的断裂与强度,2、影响强度的因素,影响高聚物实际强度的因素分为与材料本身结构有关的和外界条件有关的两类。,相对分子质量及分布对强度的影响：分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）起决定性作用的结构参数。规律：强度随相对分子质量的增大而增加，分布宽窄影响不大，但低聚物部分增加时，因低分子部分发生分子间断裂而

26、使强度下降。,当分子量很小时，强度随着分子量增加而增加当分子量大到一定值，拉伸强度变化不大，但冲击强度继续增加,链节的极性对强度的影响：链节含有强极性基团或氢键的基团使得分子间作用力增大，强度提高,链节的极性对polymer强度的影响,随着极性基团或氢键，强度，但密度大，阻碍链段的运动，不能产生强迫高弹形变脆性断裂,空间立构对强度的影响：结构规整和等规度高的聚合物因结晶而强度提高。,无规立构含量对PP性能影响,支化对强度的影响：支化破坏了链的规整性结晶度降低，还增加了分子间的距离分子间力减小，都使强度降低。但是韧性有所提高。,支化度对聚合物力学性能的影响,交联对强度的影响：适当交联，总是提高聚

27、合物的强度，但如果交联度太大，会使其脆性太大而失去应用价值。,规律：适度交联增加强度，但过度交联，在受外力时，会使应力集中而降低强度。,链的刚性对强度的影响：高分子链刚性增加，聚合物强度增加，韧性下降，像主链含有芳杂环结构的聚合物其强度和模量比脂肪族主链高。主链上含有大的侧基，刚性大。如PE 24.5N/m2 PS 35.260N/m2 PET 80N/m2,结晶对强度的影响结晶度增加，强度增加韧性下降，以PE为例。,聚乙烯强度与结晶度的关系,结晶度对应力应变曲线的影响,晶体尺寸：,PP球晶尺寸与力学性能的关系,小球晶：t（拉伸强度）、断裂伸长率、i（冲击强度）高,大球晶：下降,球晶大小对应力

28、应变曲线的影响,结晶形态：同一类聚合物，伸直链强度最大，串晶次之，球晶最小。,取向对强度的影响：规律：取向能增加取向方向上材料的强度。可使材料强度提高几倍几十倍，对纤维和薄膜，取向是提高性能必不可少的措施。,原因：取向后分子沿外力的方向有序排列，断裂时主价键比例增大，而使聚合物强度提高。注意：当外力与取向方向平行，强度高，垂直，强度低。,取向对高聚物模量的影响,双轴取向和未取向薄片的对比,应力集中对强度的影响：,材料存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布状态将发生变化，使缺陷附近局部范围内的应力急剧增加，远远超过平均值，称为应力集中。缺陷就是应力集中物，包括裂缝、孔隙、缺口、银纹、杂质等，它们

29、成为材料破坏的薄弱环节，严重降低材料的强度。银纹如果不发展为裂纹，对材料的冲击强度提高有贡献,6-3影响强度的因素,局部放大,9-3聚合物的断裂与强度,加工方式的影响：将结晶聚合物淬冷或者加入成核剂，得到小而多的晶体，抗张强度提高，冲击强度提高。如PP脆，但是加入成核剂，韧性增大，还有用热处理可以提高强度。,增塑剂的影响：抗张强度降低，冲击性能提高。原因：能够同聚合物相容的小分子，是使分子链之间的相互作用减弱，分子链活动性增加。从而使材料的拉伸强度下降，冲击强度升高。,解决的方法：将丁二烯气体注入PVC粉末中，用Co60辐照，丁二烯就像树枝一样接在PVC主干上。在30时其强度比通常PVC大50

30、倍以上,共聚和共混的影响：如PS很脆，但是与丙烯腈共聚所得聚合物的抗张强度冲击强度都提高。若进一步与丁二烯聚合，得到抗冲击强度很高的ABS 树脂,PVC的低温性能很差，容易发脆,Conclusion：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，这便是有名的马克三角原理，也是提高塑料性能的三大法宝。,外力作用速度和温度的影响：,高分子链运动的特点，有明显的时间、温度依赖性松弛特性，所以外力作用速度和温度对强度有明显的影响。,温度：,当时间一定时，升高温度，链段活动容易，屈服应力降低，屈服强度低。相反降低温度会使材料的链段运动能力降低，材料在更高

31、的外力下发生脆性断裂。,外力作用速率,温度一定，外力作用时间越短，链段跟不上外力的变化，为使材料屈服需要更大的外力，材料的屈服强度提高,Conclusion：随温度的降低或拉伸速率的提高，t、y、E增大，i、断裂伸长率减少，聚合物的破坏方式由韧性趋向脆性破坏,四、聚合物的增强,活性粒子（Powder）纤维 Fiber液晶 Liquid Crystal,碳黑，SiO2Glass fiber,Carbon fiberPolyester,Filler填料,增 强 途 径,（物理方法）,填料同聚合物不相容，因此形成多相复合材料。加入填料的目的：,(2)活性填料：提高材料的强度。增强效果主要取决于填料的

32、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。,(1)惰性填料：加入廉价的填料降低成本。稀释作用，使材料强度降低。,粉状填料增强,（1）活性粒子增强,Carbon black reinforcement橡胶+碳黑,增强机理：活性粒子吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子起物理交联点的作用。,木粉，碳黑，轻质二氧化硅，碳酸镁，氧化锌同某些塑料和橡胶复合，可显著改善性能。例如：木粉加入酚醛树脂，可在很大范围内不降低拉伸强度，而大幅度提高冲击强度。原因：木粉吸收了一部分冲击能量而起到阻尼的作用。天然橡胶中添加20的胶体碳黑，拉伸强度可从16MPa,提高到20MPa。丁苯橡胶由

33、于不能结晶，强度只有3.5MPa，加入碳黑后，补强效果明显，可达2225MPa接近天然橡胶的水平。,粉料用表面活性物质如脂肪酸、树脂酸处理，或用钛酸酯、硅烷等偶联剂处理，或在填料粒子表面化学接枝大分子等都有很好的效果。,（2）纤维增强,Glass steel boatglassy fiber+polyester,增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷,例：尼龙+玻纤/碳纤维/晶须/硼纤维增强效果与纤维的长度、纤维与聚合物之间的界面粘接力有关,Racing bicycle,Carbon fiber,增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷,（3）液晶原位增强,增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共

34、混物中形成微纤结构而得到增强作用。由于微纤结构是加工过程中由液晶棒状分子在共混物基体中就地形成的，故称做“原位”复合增强。,热致液晶+热塑性聚合物共聚酯，聚芳酯Xydar,Vector,Rodrum,1、影响聚合物韧性的因素,内因 外因链结构 温度凝聚态结构 应变速率分子间作用力,取决于链段的活动能力,五、聚合物的增韧,适当增加极性及氢键、支化、交联和降低结晶度可以增加冲击强度；升高温度和增加作用力时间可以增加冲击强度。,Crystallization 结晶,Orientation取向,垂直于取向方向的冲击强度提高,Defects 缺陷,材料受力时在裂缝、孔隙、缺口、杂质等缺陷附近的局部范围造

35、成应力集中，从而严重降低材料的拉伸和冲击强度,共混，共聚，填充的影响,实验发现，采用与橡胶类材料嵌段共聚、接枝共聚或物理共混的方法可以大幅度改善脆性塑料的抗冲击性能。,eg:采用丁二烯与苯乙烯共聚得到高抗冲聚苯乙烯；采用氯化聚乙烯与聚氯乙烯共混得到硬聚氯乙烯韧性体，都将使基体的抗冲强度提高几倍至几十倍。橡胶增韧塑料已发展为十分成熟的塑料增韧技术，由此开发出一大批新型材料。,填充、复合改性效果,第一种：在热固性树脂及脆性高分子材料中添加纤维状填料，也可以提高基体的抗冲击强度,第二种：在聚苯乙烯这样的脆性材料中添加碳酸钙之类的粉状填料，则往往使材料抗冲击性能进一步下降。粉状填料的粒径、表面性能等起

36、着决定性的作用,快速拉伸,韧性好坏顺序,dcba,2、聚合物的增韧Toughening of Polymers：,常用的方法：弹性体增韧刚性有机粒子增韧超细无机粒子增韧,Rubber toughening 橡胶增韧,达到良好增韧效果的条件 a、橡胶相作为分散相存在 b、橡胶相与塑料相有良好的界面粘接力 c、橡胶相的Tg远低于使用温度,橡胶增韧机理Mechanism of rubber toughing,多重银纹机理：a、若只有极少数银纹时，应力全部集中在这几个银纹上，很快发展为裂缝并迅速扩展，只用很少的力就会使材料破坏b、分散的橡胶相起应力集中体的作用，受冲击时诱发大量的银纹（微裂纹），同时诱

37、发的大量银纹会吸收大量能量，从而起增韧作用c、大量银纹存在时，应力场相互干扰，使银纹端部的应力减小，而且银纹端部发展到橡胶粒子时也可能被终止,六、聚合物的增塑作用聚合物的增塑作用（plasticization）定义：能使高分子链的柔性或聚合物材料的可塑性增加的作用。类型：内增塑、外增塑和自动增塑作用内增塑作用（internal plastization）定义：通过改变高分子链的化学结构（即共聚）达到增塑目的的作用。实例利用丁二烯链节的柔性，制备高抗冲聚苯乙烯。,外增塑作用（external plasticization）定义：在刚性高分子链中加入低分子液体或柔性聚合物达到增塑目的的作用。具有该

38、作用的物质称为增塑剂（plasticizer）。原理：低分子物质黏度比高聚物黏度低1015倍，因此每加入20%，体系黏度降低1000倍，并且玻璃化温度与黏流温度都降低。,增塑剂的使用对象增塑剂加入量对柔性高聚物形变-温度曲线的影响，1-未加增塑剂，2、3、4-为加入增塑剂，其加入量是432。结果加后黏流温度比玻璃化温度下降快，高弹区变窄，因此，一般不加。,增塑剂加入量对刚性高聚物形变-温度的影响如图，适当加入后，玻璃化温度下降比黏温度下降快，使高弹区加宽，材料使用范围加大。实例：纯PVC只能作塑料，适当加入增塑剂后，可以作人造革、鞋、薄膜等。,关于增塑剂的选择原则 增塑剂与高聚物互溶；不易挥发；制品中存在时间长；无毒、色浅、廉价。不同PVC材料的增塑剂含量,加入增塑剂对高聚物机械性能的影响,自动增塑作用 高聚物中含有单体、低聚物、杂质、水等而引起的增塑作用。需要严格控制。,1.陶瓷橡胶2.耐高温、高强度、高模量，低密度,根据Considere作图法以1点向曲线作切线，切点便是屈服点。,（1）平台区域是强迫高弹形变，在外力作用下链段发生运动。（2）平台的大小与温度有很大关系。温度较低时，聚合物是脆的，在达到屈服点之前断裂，不出现平台，因此温度降低，平台区变小。,