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高分子材料的力學性能及表征方法

　　聚合物的力學性能是高分子聚合物在作為高分子材料使用時所要考慮的最主要性能。它牽涉到高分子新材料的材料設計，產品設計以及高分子新材料的使用條件。因此了解聚合物的力學性能數據，是我們掌握高分子材料的必要前提。　　聚合物力學性能數據主要是模量（E），強度（σ），極限形變（ε）及疲勞性能（包括疲勞極限和疲勞壽命）。由于高分子材料在應用中的受力方式不同，聚合物的力學性能表征又按不同受力方式定出了拉伸（張力）、壓縮、彎曲、剪切、沖擊、硬度、摩擦損耗等不同受力方式下的表征方法及相應的各種模量、強度、形變等可以代表聚合物受力不同的各種數據。由于高分子材料類型的不同，實際應用及受力情況有很大的差變，因此對不同類型的高分子材料，又有各自的特殊表征方法、例纖維、橡膠的力學性能表征。
表征方法及原理
　　（1）拉伸性能的表征
用萬能材料試驗機，換上拉伸實驗的樣品夾具，在恒定的溫度、濕度和拉伸速度下，對按一定標準制備的聚合物試樣進行拉伸，直至試樣被拉斷。儀器可自動記錄被測樣品在不同拉伸時間樣品的形變值和對應此形變值樣品所受到的拉力（張力）值，同時自動畫出應力－應變曲線。根據應力-應變曲線，我們可找出樣品的屈服點及相應的屈服應力值，斷裂點及相應的斷裂應力值，樣品的斷裂伸長值。將屈服應力，斷裂應力分別除以樣品斷裂處在初制樣時樣品截面積，即可分別求出該聚合物的屈服強度σ屈和拉伸強度（抗張強度）σ拉值。樣品斷裂伸長值除以樣品原長度，即是聚合物的斷裂伸長率ε。應力－應變曲線中，對應小形變的曲線中（即曲線中直線部分）的斜率，即是聚合物的拉伸模量（也稱抗張模量）E值。聚合物試樣拉伸斷裂時，試樣斷面單維尺寸（厚或寬的尺寸）的變化值除以試樣的斷裂伸長率ε值，即為聚合物樣品的“泊松比”（μ）的數值。
　　
（2）壓縮性能、彎曲性能、剪切性的表征。
用萬能材料試驗機，分別用壓縮試驗，彎曲試驗，剪切試驗的樣品夾具，在恒定的溫度、濕度及應變速度下進行不同方式的力學試驗。并根據不同的計算公式，求出聚合物的壓縮模量、壓縮強度、彎曲模量、彎曲強度、剪切模量、剪切強度等數據。

（3）沖擊性能的表征。
采用擺錘式沖擊試驗機，按一定標準制備樣品，在恒定溫度、濕度下，用擺錘迅速沖擊被測試樣，根據擺錘的質量和剛好使試樣產生裂痕或破壞時的臨界下落高度及被測樣品的截面積，按一定公式計算聚合物試樣的沖擊強度（或沖擊韌性單位為J/cm2）。

（4）聚合物單分子鏈的力學性能。
用原子力顯微鏡（AFM）。將聚合物樣品配成稀溶液，鋪展在干凈玻璃片上，除去溶劑后得到一吸附在玻璃片上的聚合物薄膜（厚度約90mm）。用原子力顯微鏡針尖接觸、掃描樣品膜，由于針間與樣品中高分子的相互作用，高分子鏈將被拉起，記錄單個高分子鏈被拉伸時拉力的變化，直至拉力突然降至為零。可得到若干高分子鏈被拉伸時的拉伸力和拉伸長度曲線，由此曲線可估算單個高分子鏈的長度和單個高分子從凝聚態中被拉出時的“抗張強度”。
所用儀器

萬能材料試驗機
擺錘式沖擊試驗機
原子力顯微鏡AFM
聚合物的力學性能是高分子聚合物在作為高分子材料使用時所要考慮的最主要性能。它牽涉到高分子新材料的材料設計，產品設計以及高分子新材料的使用條件。因此了解聚合物的力學性能數據，是我們掌握高分子材料的必要前提。
　　聚合物力學性能數據主要是模量（E），強度（σ），極限形變（ε）及疲勞性能（包括疲勞極限和疲勞壽命）。由于高分子材料在應用中的受力方式不同，聚合物的力學性能表征又按不同受力方式定出了拉伸（張力）、壓縮、彎曲、剪切、沖擊、硬度、摩擦損耗等不同受力方式下的表征方法及相應的各種模量、強度、形變等可以代表聚合物受力不同的各種數據。由于高分子材料類型的不同，實際應用及受力情況有很大的差變，因此對不同類型的高分子材料，又有各自的特殊表征方法、例纖維、橡膠的力學性能表征。

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