高分子材料的力学性能分析

目前，高分子材料（或称高聚物，polymer）在工程中的应用越来越广。与金属材料相比，它具有可加工性好、耐腐蚀、密度小等优点。高分子材料分为热固性（thermoset）材料和热塑性（thermoplastic）材料。在加热时，前者通过化学结合状态的变化而固化，这种变化不可逆；后者的熔融或固化是一种物理状态的变化，变化过程是可逆的。

高分子材料由大分子链组成。大分子链（聚乙烯链）的几何形状大致分为线型、支化和网状三类，分别如图9-1（a）、（b）、（c）所示。线型高分子材料的大分子之间没有化学键相连，在一定条件下大分子可发生相互移动（流动）。大分子链上带有一些支链的高分子材料称为支化高分子材料，由于支链的存在，分子不易规则排列，支化高分子的结晶度和密度较低，拉伸强度也较低。线型高分子和支化高分子能在适当的溶剂溶解，加热可以熔融。网状大分子链是指通过支链或化学键相连接而形成的三维网状结构（或称为交联结构），如热固性塑料、硫化橡胶等。这类高分子材料的分子链之间很难产生相对滑移，具有尺寸稳定、不溶、不熔的特点。

图9-1　大分子链的结构类型

（a）线型大分子链（大球表示碳原子，小球表示氢原子）；（b）支化大分子链；（c）网状大分子链

高分子材料的力学性能与温度、加载时间和加载速度密切相关。根据温度和观测时间的不同，材料可表现为玻璃态（脆性固体）、黏弹态、高弹态（又称橡胶态，弹性体）和黏流态（黏性流体）。图9-2中的曲线表示非晶态高分子材料的弹性模量-温度关系，该图分为四个区域，分别对应玻璃态、黏弹态、高弹态和黏流态。过渡温度Tg称为玻璃化转变温度，Tf称为黏流温度。

图9-2　非晶态高分子材料的弹性模量-温度关系曲线

当温度低于T g时，材料处于玻璃态。在进行拉伸试验时，试件的伸长率很小，在拉伸断裂之前，材料显示较普通的弹性变形。

黏弹性是高分子材料最重要的力学特征之一。黏弹性兼有弹性固体变形特征和黏性液体流动特征，主要表现为蠕变、应力松弛和延滞回复等，在变形过程中有较大的能量损耗，应力应变响应与时间有关。许多高分子材料的黏弹性均属于线性黏弹性。

在Tg＜T＜Tf范围内，非晶态高分子材料处于高弹态，材料可以发生很大的变形，且卸载后能完全恢复。(www.xing528.com)

高分子材料的几种典型的断裂模式如图9-3所示。图9-3（a）所示为脆性断裂，相应地应力应变成直线关系，但断裂应变通常比金属材料大5～10倍，为0.5%～5%，丙烯酸树脂（acrylic resin）、酚醛塑料（phenolics）、环氧树脂（epoxy，EP）等属于这类材料。图9-3（c）所示为断裂应变特别大的情形，在σ-ε关系曲线上有一个较宽的平台段，聚苯乙烯、聚丙烯（polypropylene，PP）、尼龙（polyamide，PA）等材料具有这种性质。图9-3（b）所示的材料断裂应变介于图9-3（a）和图9-3（c）所示的材料之间，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）、聚醛树脂（polyacetal）等属于这类材料。

图9-3　各种断裂模式

高分子材料抵抗拉伸和压缩变形的能力有很大差别。如图9-4所示，聚苯乙烯在拉伸试验时发生脆性断裂，断裂应力和断裂应变均较小；而在压缩时显示很好的延性，断裂应力（强度）比拉伸时增大1.5～4倍，压缩时弹性阶段的模量也较大。

图9-4　聚苯乙烯拉伸和压缩下的应力应变曲线

高分子材料的强度受温度和加载速度（应变速度）的影响很大。随温度升高或加载速度（应变速度）降低，强度下降。图9-5所示分别为几种材料的拉伸强度与温度、应变速度的关系曲线。

图9-5　温度和应变速度对强度的影响［2］

注：PUR为聚氨酯。