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  • [原创] 聚合物材料可靠性分析原理(12)

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  • 发表于:2018-02-26 10:00:24

聚合物材料可靠性分析原理(12)

石拓•著

2.1.1拉伸强度

固体聚合物材料在拉伸力的作用下,将会发生被拉长的形变。当外力除去后,将有两种情况发生:一是形变可以复原,二是形变不能复原。通常把可以复原的形变,称为弹性变形;把不能复原的形变,称为塑性变形。

定义2.1.1.1聚合物材料因为拉伸而塑性变形,所受能承受的最大拉伸应力(tensile stress),称为屈服拉伸强度(tensile strength at break);聚合物材料因为拉伸而断裂,所受能承受的最大拉伸应力,称为断裂拉伸强度。

屈服拉伸强度和断裂拉伸强度,统称拉伸强度,用符号σt表示,单位:MPa(KN/m^2)。拉伸强度是材料因为拉伸应力,而引起的塑性变形,或者是发生断裂的极限强度。拉伸强度是衡量材料机械性能的标志之一,也是聚合物材料的一个重要的性能指标。拉伸强度又称为抗拉强度或抗张强度。

固态高分子聚合物,根据结晶度的不同,分为结晶聚合物和无定型聚合物。无论是线形结晶聚合物,还是线形无定形聚合物(非结晶),在常温下的机械性能,通常表现的是塑性。而交联高分子聚合物,除橡胶弹性体外,通常表现的是脆性。

因此,线形高分子聚合物材料在拉伸过程中,首先在薄弱的地方被拉长,出现“颈缩”现象。当拉伸力达到拉伸屈服应力(yield stress)时,材料将会发生断裂。事实上,聚合物材料结构件,倘若在使用的过程中,出现颈缩时,已经属于结构件被破坏而失效了。

聚合物材料从颈缩开始,经过伸长,到断裂时的长度,与它的初始长度之比,称为断裂伸张率(elongation at break),或叫延伸率。断裂伸张率是衡量材料韧性的一个指标,但不是唯一的指标,必须与材料的抗冲和抗弯强度一并考察。例如,增强增韧的聚合物基复合材料,有非常高的抗拉强度,但几乎没有延伸率。

利用高分子聚合物的拉伸特点,有些线形高分子聚合物,可以经过拉伸,制得薄膜,或者纤维。例如,聚丙烯(PE)的拉伸薄膜,涤纶(PET)的拉伸薄膜,以及拉伸纤维等。经过拉伸的线形高分子聚合物,其高分子链的取向与排列,趋向一致。沿高分子链取向方向的聚合物,具有较高的模量。因此,经拉伸处理的薄膜或纤维,要比未经拉伸的薄膜或纤维的模量要高。

假如高分子的交联(橡胶除外),或者与无机矿物、纤维的复合,或者两者皆有,那么将会降低聚合物的延伸率。这是因为,高分子的交联,或者无机物小分子的存在,使得高分子的去向与排列发生了困难。高分子长链在拉伸应力作用下,由于无机物小分子的存在,使得高分子不容易屈服伸张,除非断裂,因此降低了聚合物的延伸率。但是聚合物作为工程材料,关心更多的是聚合物材料的屈服拉伸强度。这是因为,聚合物材料作为机械结构件用材料,任何的塑性变形,或者断裂,都是不被认可的。

不过,高分子的交联,或与无机矿物、纤维的复合,可以提高聚合物材料的屈服拉伸强度。

(待续)