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高分子物理第8章答案

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第8章答案

1.答:

脆-韧转变点:同一聚合物材料表现为脆性或韧性同温度和应变速率有关,低应变速率(高温)下韧性的材料,高应变速率(低温)时会发生脆性断裂,断裂应力、屈服应力与应变速率(温度)关系曲线的交点即为脆韧转变点。

细颈:材料拉伸到达屈服点时,因发生强迫高弹形变,出现试样截面突然变细的现象,称为“纫颈” 剪切带:韧性高聚物拉伸至屈眼点时,因斜截面上的最大切应力首先达到材料的抗剪强度,因此试样上出现与拉仲方向成45(135)度角的剪切滑移变形带或互相交义的剪切滑移变形带(可用双折射或二色性实验观察)

银纹:在张应力作用下,聚合物材料某些薄弱部分出现应力集中而产生局部的塑性形变和取

向,以致在材料表面或内部垂直应力方向上出现长度约100μm、宽度约10 μm、厚度约1 μm的微细凹槽,拉伸断裂前在弯曲范围内观察到应力发白现象,即产生了大量银纹

应力集中:如果材料存在缺陷(裂缝、宅隙、缺口、银纹和杂质等),受力时材料内部的应力平均分布状态将发生变化,使缺陷附近局部范围内的应力急剧增加,远远超过应力平均值.这种现象称为应力集中。 疲劳:疲劳是材料或构件在低于屈服应力或断裂应力的周期应力作用下,因材料内部或其表面应力集中处引发裂纹并促使裂纹传播,从而导致最终的破坏断裂或失效的现象,是材科在实际使用中常见的破坏形式。

强迫高弹形变

Tg以下拉伸时,过屈服点后,材料中少数链段在应力作用下运动,本质同高弹形变,但由于分子运动被冻结,故高弹形变被固定成永久形变,但若温度提高到Tg附近,此形变可恢复。 高弹形变

Tg以上,施加外力时链段运动,发生大的形变,外力除去后形变可恢复的现象。

2答:(略,见讲义)

3.答:需画图说明

(1)温度的影响: ①T1<T1③T3 Tg以下几十度 ε达到102% ④ T4>Tg

温度升高,材料变的软而韧,σB 下降, εB增加,温度降低,则反之 (2)应变速率的影响

增加应变速率与降低温度的效应相似

速率降低,材料变的软而韧,σB 下降, εB增加,应变速率升高,则反之

5.答:

聚合物抵抗外力破坏的能力称为强度,对于不同的破坏力有不同的强度,如拉伸强度、冲击强度和弯曲强度等。

由于材料在成型加工过程中材料内部存在缺陷((杂质、气泡、空穴、内应力、几何不连续、孔洞、浇口位臵不合理等)而引起应力集中导致破坏,使材料的实际强度大大低于理论强度。

6答:

影响高聚物强度的因素包括结构(如化学键、支化、结晶、交联、取向等)和外因(如增塑剂、缺陷、温度和作用速率等) 增强方法:

 结构改进,提高主链化学键力和分子间作用力、提高结晶度、取向等

 在聚合物基体中加入第二种物质,形成“复合材料”,通过复合来显著提高材料力学强度

例:

(1)粉状填料增强如炭黑、轻质二氧化硅与橡胶复合 机理:活性填料粒子的活性表面较强烈吸附橡胶分子链。形成链间物理交联,均匀分布负荷(2)(2)纤维增强热固性塑料,如玻璃钢,碳纤维复合材料,帘子线增强的轮胎

机理:利用纤维的高强度以承受应力,利用基体树脂的塑性流动及其与纤维的粘结性以传递应力

(3)液晶聚合物与热塑性塑料共混,液晶的棒状结构使共混物中形成微纤而起增强作用 (4)利用纳米材料高表面活性和大的比表面积而增强 增韧方法

(1)脆性塑料增韧

例:海岛型弹性体微粒作为应力集中物在基体间引发大量银纹,银纹所产生的新表面吸收了大量冲击能,同时银纹和弹性体粒子将应力场相互干扰,降低了银纹端应力,阻碍了银纹的进一步发展,不会发展成破坏性裂纹,由此达到基体材料脆-韧转变的目的。 例如:PS+橡胶(P71),PMMA+ACR (2)较韧性塑料进一步增韧

对于有一定韧性的塑料而言,受到张力作用时,45 °斜截面上的最大切应力首先达到材料的抗剪强度,出现与拉伸方向成45 °的剪切滑移变形带,发生剪切屈服。吸收大量塑性形变能。弹性体粒子作为应力集中物,在外力作用下诱发大量银纹和剪切带,吸收能量。同时橡胶粒子和剪切带控制和终止银纹发展,使银纹不至形成破坏性裂纹,达到进一步提高基体材料韧性的目的。

例:PP、尼龙、HDPE、PC、POM等

对于不同性质的基体,银纹和剪切带比例不同 例如: IPP/PEO先剪切屈服,再产生银纹

ABS:如果橡胶粒子较小,就会发生剪切形变 如果粒子较大,就会诱发银纹 PVC/CPE:有细颈而无应力发白现象,是以

剪切屈服为主的增韧机理

(3)纳米粒子增韧

加入超细无机填料粒子(如:超细CaC03(1-10nm)、超细陶瓷(0.1μm,比普通陶瓷细1000倍),促使基体在断裂过程中发生剪切屈服,吸收大量塑性形变能,达到提高基体材料韧性的目的。

7.答

(1) PS,侧链有苯环,呈脆性

(2) 聚苯醚,主链有苯环,属刚性因素,冲击强度不够好,但因有-O-键,使其韧性好于(1)

(3) 聚碳酸酯 ,虽然主链有苯环,属刚性因素,但因有柔性较大的酯键,使其

具有较好的韧性

(4) ABS 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三种单体聚合而成的玻璃态连续相分散橡胶相的高分子材料,具有很

好的强度(丙烯腈和苯乙烯单元)和韧性(丁二烯单元)。

(5) 聚乙烯,LDPE的支化程度高,分子间距离大,所以冲击强度高 (6) HDPE的高结晶度使其呈现一定脆性 顺序LDPE>(3)>(4)>HDPE>(2)>(1)

8.答:

(1) 与乙丙橡胶共混,成型过程减小球晶(快速冷却或加成核剂) (2) 加炭黑增强

(3) 结构中引入芳环 (4) 双向拉伸

(5) 纤维(玻璃纤维、有机纤维等)增强

10.答

按照格里菲思(Griffith)线弹性断裂理论KICC(a)

该材料可承受的理论临界应力 84.7×106/(3.14×0.005)1/2=676×106

实际受力 450×106,加上安全系数后为675×106小于σc,所以结构是安全的。

0.5

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