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1、11.3 聚合物的断裂与强度,主要内容：聚合物的强度聚合物的断裂形式格理非斯断裂理论,本讲重点及要求：掌握聚合物的强度及格理非斯断裂理论。掌握聚合物强度和韧性的影响因素、增强和增韧的方法与机理。,教学目的：了解材料的破坏形式和理论，指导材料的制备、选材、改性、加工和使用。,11.3 聚合物的断裂与强度,强度是指物质抵抗破坏的能力,张应力,拉伸强度,弯曲力矩,抗弯强度,压应力,压缩强度,拉伸模量,弯曲模量,硬 度,如何区分断裂形式？,关键看屈服,屈服前断脆性断裂,屈服后断韧性断裂,11.3.1 脆性断裂与韧性断裂,脆性断裂,屈服前断裂,无塑性流动,表面光滑,张应力分量,韧性断裂,屈服后断裂,有塑
2、性流动,表面粗糙,切应力分量,相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为 断裂伸长率较,光滑,大,小,粗糙,材料的断裂方式分析,聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。,化学键拉断,15000MPa,分子间滑脱,5000MPa,分子间扯离,氢键 500MPa,范德华力 100MPa,理论值,在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度在几千MPa，而实际只有几十Mpa。WHY？,e.g.,PA,60 MPa,PPO,70 MPa,理论值与实验结果相差原因,样条存在缺陷,应力集中,Comparing of brittle and ductile
3、fractures（分析判断）,脆性断裂韧性断裂,屈服,-线,b,断裂能,断裂表面,断裂原因,无,有,无,有,线性,非线性,线性,非线性,小,大,小,大,小,大,小,大,平滑,粗糙,平滑,粗糙,法向应力,剪切应力,法向应力,剪切应力,脆韧转变温度 Tb,Tb is also called brittle temperature.,Brittle ductile transition 脆韧转变,脆化温度，脆化点,在一定速率下（不同温度）测定的断裂应力和屈服应力，作断裂应力和屈服应力随温度的变化曲线,断裂应力,屈服应力,断裂应力和屈服应力谁对应变速率更敏感？,脆性断裂和韧性断裂判断,TTb,先达到
4、b，脆性断裂,T Tb,先达到y，韧性断裂,Application,对材料一般使用温度为哪一段？,T Tb,Tb越低材料韧性越,好,差,TbTg,TfTd,Three states,TgTf,Example PC聚碳酸酯,Tg=150C,Tb=-20C,室温下易不易碎？,Example PMMA聚甲基丙烯酸甲酯,Tg=100C,Tb=90C,室温下脆还是韧？,The influence on Tb,（1）增加应变速率，脆化温度如何变化？,（2）存在缺口，形成应力集中，趋向于脆性，脆化温度升高。,11.3.2 聚合物的拉伸强度,屈服强度,断裂强度,中国统一使用拉伸强度t,b-试样厚度，d-试样宽
5、度,P-最大载荷,影响拉伸强度的因素,化学键拉断,分子间滑脱,分子间扯离,主要方式,化学键断裂所需力最大,分子间扯离所需力最小,通过断裂形式分析：分子之间相互作用大小对强度影响最大,考虑分子结构因素,极性基团或氢键,主链上含芳杂环结构,适度的交联,结晶度大,取向好,高,拉伸强度t,高,加入增塑剂,高,高,高,低,缺陷存在,低,考虑外界因素,温度低,应变速率大,高,拉伸强度t,高,11.3.3 Griffith crack theory断裂理论,为什么材料的实际强度远远低于理论强度？,存在缺陷,为什么在缺陷处断裂？,缺陷处应力集中,缺陷处应力多大？,Griffith theory,无限大平板中椭
6、圆形裂缝的应力集中,考察椭圆周围什么地方受力最大？,应力集中处（多大？）,公式表达,对圆形，a=b,对椭圆，a增加，b减小,剧烈,最终结果就是断裂,椭圆孔长轴的两端点应力最大,Griffith crack theory 断裂理论,讨论什么时候裂纹开始扩展,E-材料的弹性模量J-拉伸过程中材料所吸收的能量a-裂缝长度的一半,裂缝扩展的临界应力,Griffith从能量平衡的观点分析断裂过程，结果：,应力强度因子K1和临界应力强度K1c,Critical stress intensity KIc,Stress intensity factor K1,E-弹性储存能；J-拉伸过程中材料所吸收的能量,为
7、裂纹扩展阻力,为裂纹扩展动力,力越强，大；裂缝越长，a越大,Discussion,临界应力强度KIc,应力强度因子K1,裂纹扩展阻力,裂纹扩展动力,临界应力强度KIc,应力强度因子K1,裂纹稳定,临界应力强度KIc,应力强度因子K1,裂纹扩展,Exercise,现有一块有机玻璃(PMMA)板，内有长度为10mm的中心裂纹，该板受到一个均匀的拉伸应力=450*106N/m2的作用力。已知该材料的临界应力强度因子KIc=84.7*106N/m2.m1/2,安全系数n=1.5,问板材结构是否安全？,a=10mm/2=5*10-3m,临界应力强度KIc,应力强度因子K1,裂纹稳定,11.3.4 增强
8、Reinforcement,活性粒子（Powder）纤维 Fiber液晶 Liquid Crystal,Filler填料,增强途径,C，SiO2Glass fiber,Carbon fiberPolyester,（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。,惰性填料怎么办？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉,（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
9、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,（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混物中形成微纤结构而到增强作用。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,11.3.5 聚合物的韧性与增韧,（1）冲击强度 Impact strength,是衡量材料韧性的一种指标,冲断试样所消耗的功,冲断试样的厚度和宽度,增韧剂：elasticizer,plasticizer,softener,（2）影响
10、冲击强度的因素,韧性好坏顺序,dcba,曲线下的面积代表所吸收能量,因素,强度延展性,Discussion,强度延展性,分子间作用力分子链柔顺性,极性基团或氢键,有支链结构,适度交联,结晶度大,双轴取向,差,好,加入增塑剂,好,差,好,好,韧性,外界因素,温度高,应变速率大,好,差,冲击强度i 即韧性,(3)聚合物的增韧,(a)橡胶增韧塑料,橡胶增韧塑料,e.gPVCCPE，PPEPDM(三元乙丙橡胶）,增韧效果取决于分散相相畴大小和界面粘接力,即两者相容性.,橡胶增韧塑料的增韧机理,银纹机理：橡胶粒子作为应力集中物诱发基体产生银纹而吸收能量。（一般脆性聚合物增韧为此机理，如：PS/SBS）,
11、银纹剪切带机理：橡胶粒子作为应力集中物,在外力作用下诱发大量银纹和剪切带,吸收能量。橡胶粒子和剪切带控制和终止银纹。,（b）刚性粒子增韧,刚性有机粒子增韧：拉伸时，由于基体与分散相之间的模量和泊松比差别致使基体对刚性粒子产生赤道面上的强压力而发生脆韧转变，刚性粒子发生“冷流”而吸收能量。e.g PC/MBS（甲基丙烯酸甲酯/丁二烯/苯乙烯三元共聚物）,刚性无机粒子增韧:刚性粒子促使基体在断裂过程中产生塑性变形吸收能量.e.g PVC+CaCO3,刚性粒子增韧的条件是:基体必须具有一定韧性。,本章小结,应力-应变曲线玻璃态与晶态;分子运动机理屈服剪切带与银纹断裂与强度影响强度的因素增强与增韧常见增强与增韧的方法,机理,
