高聚物強度

高聚物指由許多相同的、簡單的結構單元通過共價鍵重複連線而成的高分子量(通常可達10^4～10^6)化合物。高聚物強度則是指高聚物受力時抗破壞能力的量度。

基本介紹

• 中文名：高聚物強度
• 組成：相同的、簡單的結構單元
• 化學鍵：共價鍵
• 分子量：通常可達10^4～10^6)

定義

高聚物指由許多相同的、簡單的結構單元通過共價鍵重複連線而成的高分子量(通常可達10^4～10^6)化合物。

強度

高聚物受力時抗破壞能力的量度。高聚物的理論強度可從該高分子鏈的化學鍵強度和高分子鏈之間相互作用力來估算。高聚物的斷裂強度σ和楊氏模量E大致上有如下的關係:σ=0.1E。然而，高聚物材料的實際強度比估算的理論強度要小得多（約為 0.01～0.001）。而且強度與模量的比值也遠小於 0.1。這是因為高聚物的強度還受高聚物分子聚集態結構和缺陷等的影響。缺陷能使應力高度集中，使材料中產生薄弱環節，在外力作用下斷裂總是首先在該處發生，因而使高聚物的實際強度比理論強度低得多。缺陷對高聚物強度的影響對纖維尤為明顯。纖維直徑越粗，抗拉強度越低。因為粗纖維出現缺陷的幾率增加，缺陷不僅造成應力集中，而且使承受負荷的有效面積減少，致使強度下降。纖維強度隨測試樣品的長度和直徑的變化稱為體積效應或尺寸效應。
高聚物強度分類按外力作用方式的不同，高聚物強度可分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、衝擊強度和剪下強度等。高聚物強度不僅與其結構特徵有關，而且還與受力作用時的外界條件（溫度、濕度、拉伸速率等）有關。 脆性斷裂或韌性斷裂 高聚物在脆性斷裂時，在垂直於張力方向的表面上首先出現銀紋，然後由表及里地迅速發展，最後形成破壞性的裂縫，使材料斷裂。脆性斷裂的應變值較低(通常<5%)，斷裂時所需的能量(相應於應力－應變曲線下的面積)較小,斷裂面較光滑。高聚物的韌性斷裂通常伴隨著很大的形變，其形變在沿試樣長度方向上可以是不均勻的。斷裂時試樣斷面常常顯示有外延的形變,而且形變不立即回復,其斷面粗糙。人們從斷裂面的形狀和斷裂能的大小可以區別高聚物的破壞方式是屬於脆性斷裂還是屬於韌性斷裂。

影響因素

高聚物強度與溫度有關，在低溫時表現為脆性斷裂，在高溫時可變為韌性斷裂。高聚物的強度還與應變速率有關,應變速率大時為脆性斷裂,應變速率小時為韌性斷裂。
高聚物的強度和破壞過程還受到許多其他因素的影響，如：①脆性斷裂強度隨著分子量的降低而降低；②高聚物的剛性側基會使其屈服應力和脆性斷裂應力增加；③交聯度足夠高的高聚物不能產生韌性斷裂；④拉伸後的高聚物，由於分子取向產生各向異性，導致高聚物強度的各向異性；⑤結晶結構的多樣性將影響到結晶高聚物的強度和破壞方式，例如，大的球晶通常可使高聚物的斷裂伸長率和韌性降低；通過拉伸而高度取向的纖維狀結晶有很高的抗拉強度。

晶區與強度

結晶高聚物中晶區對非晶區起著類似增強劑的作用。人們正試圖用各種方法使高聚物中的高分子結構局部地高度有序化而達到自身增強的目的，以製得所謂同質異相的自增強的高分子複合物。
多相體系高聚物的強度 不僅與其中各種高聚物的內聚力有關，而且與多相結構(相的大小、分布和含量)，以及各相之間的界面狀態有密切關係。因此，異質異相複合體系的高聚物材料的強度並不完全等於各相原有強度的數學平均值，而且其破壞機理也更複雜。

參考書目

I. M.沃德著,中國科學院化學研究所高聚物力學性能組譯《固體高聚物的力學性能》科學出版社,北京，1980。(I.M.Ward,Mechanical Properties of SolidPolymers,John Wiley &amp; Sons, New York, 1971.)