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  • [原创] 聚合物材料可靠性分析原理(11)

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  • 发表于:2018-02-22 9:43:47

聚合物材料可靠性分析原理(11)

石拓•著

第二章  聚合物材料的性能及可靠性

高分子聚合物的分子链结构,以及高分子的组份(合金),与高分子聚合物的性能之间,有着十分密切的关系。高分子链的构成和高分子的组成,以及无机复合物的特性和配比等,导致了聚合物材料,包括加工性能在内的所有性能,千差万别。

因此,考察聚合物材料的性能,必然要与聚合物材料的组份联系在一起。反之,研究聚合物材料的组份与配比,可以预测聚合物材料的性能。所以,在聚合物材料的研究中,高分子链的结构及其组成,与性能之间的关系,可以作为聚合物材料性能可靠性的基础,也可以作为聚合物材料性能设计的基础,

本章讨论的聚合物材料或聚合物基复合材料的性能,仅限于机械(力学)性能、物理性能、电性能和热性能,及其与这些性能有关的可靠性分析原理。

2.1.机械性能

固体高分子聚合物材料,或聚合物基复合材料(简称聚合物材料),在整个环境温度条件下,其力学性能具有二重性。这就是:在低于玻璃化转变温度Tg时,在外力的作用下,以弹性变形为主要特点;在玻璃化转变温度Tg以上,以塑性变形为主要特点。

弹性变形是指:材料在交变的作用力下发生形变,当消除外力的作用后,材料完全恢复原状。弹性变形是一种可逆的力学行为。

塑性变形是指:材料在交变的作用力下发生形变,当外力消除后,材料不能完全恢复原状。塑性变形是一种不可逆的力学行为。

高分子聚合物材料在弹性变形的温度范围内,具有比较稳定的,并且比较高的模量。而在塑性变形的温度范围内,模量随温度的升高而下降,并且比较明显。

材料的模量是衡量材料刚性的一个重要指标,模量(modulus)被定义为材料在外力的作用下,所产生的应力与应变之比。因此模量与材料的刚性及机械强度有关,而模量又与材料的玻璃化温度Tg有关。所以考察聚合物材料的机械性能,必须考虑到聚合物材料的玻璃化转变温度Tg。这是因为玻璃化转变温度Tg,是聚合物材料由玻璃态转向高弹态时的临界温度。由此可知,固体聚合物材料适宜使用的环境温度,与玻璃化温度Tg有关。

聚合物材料在外力的作用下,使得材料内部产生了,因为分子相互作用的内力。这个内力,在材料力学中,被称为应力(单位面积上的作用力,N/m2)。

当应力达到材料的一定承受度时,在宏观上将会发生形变。聚合物材料的这种宏观上形变,主要原因是高分子链的结构和聚集态结构发生了形变,甚至是破坏的结果。这种形变在材料力学中,被称为应变(形变),应变无量纲,以百分比(%)计。

聚合物材料的机械性能,与聚合物材料的应力—应变有关,并且使用的环境温度,对于聚合物材料的应力—应变,尤其敏感。

玻璃化转变温度(Tg)以上的聚合物,具有粘弹性,而粘弹性是聚合物的特征。这种特征,宏观上表现为,聚合物材料在外力的作用下,发生缓慢的变形,即所谓的蠕变(creep)。因此,蠕变是一种力学行为,是聚合物材料的应力(恒定应力)—应变(粘弹性应变)的结果。

聚合物材料在恒定应力的作用下,所产生的应变,随着时间的增长,将会发生不可逆的形变。此时,聚合物材料所受到的应力,将会减少。聚合物材料的这种力学行为,被称为应力松弛。所以,应力松弛,直接导致了蠕变。此外,因为聚合物材料的老化,也是产生蠕变的一个重要原因。

聚合物材料的蠕变,与聚合物材料的分子组成密不可分,所以,抗蠕变的能力大小,不同的聚合物,有着不同的能力。聚合物的蠕变性,对聚合物的机械性能影响极大,例如,聚合物材料在恒定应力作用下的尺寸稳定性。

当聚合物材料受到的外力,超过了蠕变所能承受极限的力,材料将会发生破坏。破坏的形式,通常是拉裂(撕裂)或者断裂(折断)。

(待续)