高分子材料的断裂与强度

1、高分子材料的断裂与强度v高分子材料是以聚合物为基本组分，大多情况下同时还含有各种添加剂的材料。如加入填料、增塑剂、稳定剂等，以期获得具有实用价值和经济价值的材料或改善其成型加工的性能。概述v聚合物作为材料可因用途不同，有不同的性能要求，如力学性能、电学性能、光学性能，但对大多数高分子材料，力学性能是其最重要的性能。材料的力学性能是指外加作用力与形变及破坏的关系主要内容高分子材料的断裂高分子材料的强度一、高分子材料的断裂v高聚物的实际强度与其断裂行为的特征密切相关，从断裂的性质来分，高分子材料的宏观断裂分为脆性断裂和韧性断裂v所谓韧性断裂是在屈服点之后断裂，断裂面粗糙，消耗的断裂能很大。v所谓脆

2、性断裂是在屈服点之前断裂，断裂面光滑，消耗的断裂能不大v而材料的脆性断裂，在工程上必须尽量避免的。（一）脆性断裂和韧性断裂脆性断裂表面脆性断裂表面发生脆性断裂时，断裂表面较光滑或略有粗糙，断裂面垂直于主拉伸方向，试样断裂后，残余形变很小。韧性断裂时，断裂面与主拉伸方向多成45度角，断裂表面粗糙，有明显的屈服（塑性变形、流动等）痕迹，形变不能立即恢复。韧性断裂表面韧性断裂表面（二）断裂的分子理论和断裂过程断裂的分子理论v 在外应力作用下材料发生形变后，会引起各种响应使分子链断裂，断裂的结果使应力重新分布：一种可能使应力分布趋于均匀，断裂过程结束；另一种可能使应力分布更加不均匀，分子链断裂过程加速

3、，发展成微裂纹（微空穴），继续承受应力，微空穴合并，发展成大裂缝或缺陷。待到裂缝扩展到整个试样就发生宏观破裂。高分子材料断裂过程： 裂纹引发（成核） 裂纹扩展 v断裂源首先在材料最薄弱处形成，一般是主裂纹通过单个银纹扩展；v随着裂纹扩展和应力水平提高，主裂纹不再是通过单个银纹扩展，而是通过多个银纹扩展，因而转入雾状区；v当裂纹扩展到临界长度时，断裂突然发生。 脆性断裂过程基本可分为三个阶段：二、高分子材料的强度v 强度是材料抵抗外力破坏的能力，高聚物之所以具有抵抗外力破坏的能力，主要靠分子内的化学键合力和分子间的范德华力和氢键。v 影响高聚物实际强度的因素很多，总的来说可以分为两类：一是与材料

4、本身有关的，包括高分子的化学结构、分子量及其分布、支化和交联、结晶与取向等；另一类是与外界条件有关的，包括温度、应变速率、应力状态等。（一）高聚物的基本结构参数对强度的影响v 高聚物弹性模量依赖于结构因素，凡属分子量较大、柔顺性较小、极性较强、取向度较高、结晶度较高和交联密度较大的高聚物，弹性模量的数值均较大。高聚物的其他力学性能与弹性模量之间有相互对应的关系。弹性模量较大的聚合物，抗冲击强度就较小，但硬度、挠曲强度、抗压强度均较大。v 抗冲击性是高聚物材料使用性能的重要方面，提高分子链的柔顺性可以改善高聚物的抗冲击性，冲击力是一种快速作用力，往往使分子链来不及做出构象调整，即链段材料来不及作

5、松弛运动以分散应力，从而出现脆性破坏，只有高聚物处于高弹态或分子链柔顺性大者，才具有较好的抗冲击性，通过使用增塑剂、增韧剂或共混改性可以改善高聚物的抗冲击性。（1）高分子的化学结构v 一般来说，分子链间的作用力小、取代基体积小、极性弱的大分子链其柔顺性较好，此类高聚物在较小外力下便产生高弹形变，因此较软，屈服强度低、弹性模量小、拉伸强度低、伸长率达；而增大高分子的极性或产生氢键可使强度提高，另外主链具有芳杂环结构的高聚物，其强度和模量都比脂肪族主链高。为了提高弹性模量和强度，可以在分子链中引入极性基团或环状结构。v 注意：极性基团过密或取代基过大，僵硬性太大，会造成加工成型的困难，还会带来脆性

6、，反而限制了聚合物的使用范围。（2）分子量及其分布 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。v 在一定范围内，伸长或冲击强度随高聚物分子量的增大而增大。当分子量增大到某一范围以上，外力达到足以使大分子主链共价键断裂而仍足以使大分子滑动时，聚合物的破坏便发生于共价键上，拉伸强度便不再随分子量的增大而增大了，而冲击强度则继续增大。v 分子量分布对机械强度也有影响，若分布很宽，低分子量的分子含量达10%15%，强度会明显下降，其原因是低分子量的分子起着内增塑作用，促使分子链之间易于发生滑动。（3）支化和交联分子链支化程度增加，使分子之间的距离增加，分子间的作用力减

7、小，因而高聚物的拉伸强度会降低，但冲击强度会提高，例如高压聚乙烯的拉伸强度比低压聚乙烯的低，而冲击强度反而比低压聚乙烯高。交联一方面可以提高材料的抗蠕变能力，另一方面也能提高断裂强度。一般认为，对于玻璃态聚合物，交联对脆性强度的影响不大；但对高弹态材料的强度影响很大。适度的交联可以有效地增加分子链间的联系，使分子链不易发生相对滑移。随着交联度的增加，往往不易发生大的形变，强度增高。但交联过程中往往会使高聚物结晶度下降，取向困难，因而过分的交联并不是有利的，如硫化胶的交联剂用量一般低于5%。（4）结晶和取向 结晶对高分子材料力学性能的影响也十分显著，主要影响因素有结晶度、晶粒尺寸和晶体结构。v

8、一般影响规律是： 1）随着结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹性模量均提高，但断裂伸长率和韧性下降。这是由于结晶使分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用增强所致。2）晶粒尺寸和晶体结构对材料强度的影响更大。 均匀小球晶能使材料的强度、伸长率、模量和韧性得到提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降。3）晶体形态对聚合物拉伸强度的影响规律是，同一聚合物，伸直链晶体的拉伸强度最大，串晶次之，球晶最小。 高聚物加工过程中分子链沿一定方向取向，使材料力学性能产生各向异性，在取向方向得到增强。v 对于脆性材料，取向使材料在平行于取向方向的强度、模量和伸长率提高，甚至出现脆-韧转变，而在垂直于取向方向的强度和伸长率降低。v 对于延性、易结晶材料，在平行于取向方向的强度、模量提高，在垂直于取向方向的强度下降，伸长率增大。取向（二）外界条件对强度的影响 温度与形变速率v 较大地增加形变速率或较大幅度地降温，链段在试验时间内将来不及再取向，从而导致断链和脆性断裂。v 在高速应变或低温下，内部分子活动受阻，则高聚物呈现低的冲击强度和脆性断裂。 应力状态v