高分子材料的主要物理性能教学文案.pdfVIP

第四章 高分子材料的主要物理性能 高分子材料与小分子物质相比具有多方面的独特性能，其性能的复杂性源自于其结构 的特殊性和复杂性。 联系材料微观结构和宏观性质的桥梁是材料内部分子运动的状态。 一种 结构确定的材料， 当分子运动形式确定， 其性能也就确定； 当改变外部环境使分子运动状态 变化， 其物理性能也将随之改变。 这种从一种分子运动模式到另一种模式的改变， 按照热力 学的观点称作转变；按照动力学的观点称作松弛。例如天然橡胶在常温下是良好的弹性体， 而在低温时（＜ -100 ℃）失去弹性变成玻璃态（转变） 。在短时间内拉伸，形变可以恢复； 而在长时间外力作用下，就会产生永久的残余形变（松弛） 。聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA ） 在常温下是模量高、硬而脆的固体，当温度高于玻璃化温度（～ 100℃）后，大分子链运动 能力增强而变得如橡胶般柔软； 温度进一步升高， 分子链重心能发生位移， 则变成具有良好 可塑性的流体。 本着“结构 分子运动 物理性能”这样一条思维线路，本章有选择地介绍高分子 材料的热性能、力学性能、高弹性和粘弹性、溶液性质、流变性质、电学性能等。同时通过 介绍结构与性能的关系， 帮助我们根据使用环境和要求， 有目的地选择、使用、改进和设计 高分子材料，设计和改进加工工艺和设备，扩大高分子材料使用范围。 第一节 高分子材料的分子运动、力学状态转变及热性能 一、高分子运动的特点 与低分子材料相比，高分子材料的分子热运动主要有以下特点： （一）运动单元和模式的多重性 高分子的结构是多层次、 多类型的复杂结构， 决定着其分子运动单元和运动模式也是多 层次、多类型的，相应的转变和松弛也具有多重性。从运动单元来说，可以分为链节运动、 链段运动、侧基运动、支链运动、晶区运动以及整个分子链运动等。从运动方式来说，有键 长、键角的变化，有侧基、支链、链节的旋转和摇摆运动，有链段绕主链单键的旋转运动， 有链段的跃迁和大分子的蠕动等。 在各种运动单元和模式中， 链段的运动最为重要， 高分子材料的许多特性均与链段的运 动有直接关系。 链段运动状态是判断材料处于玻璃态或高弹态的关键结构因素； 链段运动既 可以引起大分子构象变化，也可以引起分子整链重心位移，使材料发生塑性形变和流动。 （二）分子运动的时间依赖性 在外场作用下， 高分子材料从一种平衡状态通过分子运动而转变到另一种平衡状态是需 要时间的， 这种时间演变过程称作松弛过程， 所需时间称松弛时间。 例如将一根橡胶条一端 固定， 另一端施以拉力使其发生一定量变形。 保持该形变量不变， 但可以测出橡胶条内的应 力随拉伸时间仍在变化。相当长时间后，内应力才趋于稳定，橡胶条达到新的平衡。 设材料在初始平衡态的某物理量（例如形变量、体积、模量、介电系数等）的值为 x ， 0 在外场作用下，到 t 时刻该物理量变为 x （t ），许多情况下 x （t ）与 x0 满足如下关系： t / x t x e （4-1 ） 0 公式 （4-1 ）实质上描述了一种松弛过程， 式中 τ称松弛时间。 当 t = τ时， x