溶脹斷裂

溶脹斷裂

溶脹和斷裂是聚合物的兩種特性。 溶脹是高分子聚合物在溶劑中體積發生膨脹的現象。例如,離子交換樹脂是親水性高分子化合物,當將乾的離子交換樹脂浸入水中時,其體積常常要變大,這種現象就稱為溶脹。 斷裂(fracture) 材料或構件力學性能的基本表征。根據斷裂前發生的塑性變形的大小,可把材料的斷裂分為脆性斷裂和延性斷裂兩大類。隨材料和條件的不同,循環載荷作用下的疲勞斷裂、高溫下的蠕變斷裂以及環境作用下的應力腐蝕斷裂,均可表現為脆性斷裂和延性斷裂。

溶脹

由於高分子的相對分子質量大且具有多分散性,分子形狀有線形、支化和交聯的不同類型,聚集態結構有結晶態和非結晶等類型,因此,高分子的溶解現象比小分子化合物複雜得多。

高分子的溶解是一個相對緩慢的過程,可分為溶脹和溶解兩個階段,溶脹是指溶劑分子擴散進入高分子內部,使其體積膨脹的現象。溶脹是高分子材料特有的現象,其原因在於溶劑分子與高分子尺寸相差懸殊,分子運動速度相差很大,溶劑分子擴散速度較快,而高分子向溶劑中的擴散緩慢。因此,高分子溶解時首先是溶劑分子滲透進入高分子材料內部,使其體積增大,即溶脹。隨著溶劑分子的不斷滲入,溶脹的高分子材料體積不斷增大,大分子鏈段運動增強,再通過鏈段的協調運動而達到整個大分子鏈的運動,大分子逐漸進入溶液中,形成熱力學穩定的均相體系,即溶解階段。

分類

溶脹有兩種:

①無限溶脹:線形聚合物溶於良好的溶劑中,能無限制吸收溶劑,直到溶解成均相溶液為止。所以溶解也可看成是聚合物無限溶脹的結果。

例:天然橡膠在汽油中;PS在苯中。

②有限溶脹:對於交聯聚合物以及在不良溶劑中的線形聚合物來講,溶脹只能進行到一定程度為止,以後無論與溶劑接觸多久,吸入溶劑的量不再增加,而達到平衡,體系始終保持兩相狀態。用溶脹度Q(即溶脹的倍數)表征這種狀態,用平衡溶脹法測定之。

溶脹過程

聚合物溶解時必須先經過吸收溶劑從而使聚合物膨脹的過程。聚合物溶解時先溶脹的原因是:

1、聚合物蜷曲的形狀能提供溶劑分子擴散進去的空間;

2、溶劑分子較小,擴散速度較快,在聚合物擴散至溶劑中引起它溶解之前,溶劑分子已擴散到聚合物分子間引起它的溶脹。

由於高分子的長鏈分子量大, 所以當把高聚物浸入溶劑中時,高聚物不是馬上溶解,其溶解過程一般分為兩個階段: 首先是分子量小、擴散速率快的溶劑分子向高聚物中滲透, 使高聚物體積膨脹, 即溶脹。然後才是高聚物分子向溶劑中擴散,溶解。這就是說,在高聚物的溶解過程中,要先經過溶脹階段,然後才能溶解。

斷裂

脆性斷裂

脆性斷裂:沒有或僅伴隨著微量塑性變形的斷裂。玻璃的斷裂不發生任何塑形變形,是典型的脆性斷裂;而金屬的斷裂總伴隨著塑性變形,故金屬的脆性斷裂只是相對而言。根據裂紋擴展的路徑,脆性斷裂又可以分為解理斷裂和晶間斷裂。

(1)解理斷裂

一種典型的穿晶脆性斷裂。一定晶系的金屬一般都有一組在正應力作用下容易開裂的晶面,稱為解理面。一個晶體如果沿著解理面發生開裂,則稱為解理斷裂。

(2)晶間斷裂

斷裂路徑沿著不同位向的晶粒間界出現的斷裂。晶間斷裂可以脆性的也可以是延性的,分別稱為晶間脆性斷裂和晶間延性斷裂。

延性斷裂

伴隨有較大塑性變形的斷裂。典型的延性斷裂是穿晶的,通常有剪下斷裂和法向(或正向)斷裂兩種。單軸拉伸載荷作用下沿著拉伸軸約45°的面滑開的斷裂稱剪下斷裂。單晶情況下滑開面通常是滑移面。當剪下在一組平行滑移面上出現時,則形成傾斜型剪下斷裂。剪下若沿兩個方向發生,則形成鑿尖型剪下斷裂。厚板或圓柱試樣在單向拉伸時,剪下斷裂從頸縮區中心開始,並向外擴展。巨觀斷裂路徑垂直於拉伸軸,微觀斷口呈鋸齒狀,因其裂紋擴展時是通過與拉伸軸成30°-45°的交替面上剪下而實現的,故這種斷裂方式一般稱為法向(正向)斷裂。它的最終斷裂是通過與拉伸軸成45°平面上的剪下斷裂。延性斷裂是空洞在第二相顆粒上形成、長大和匯合的過程。延性斷裂的斷口呈韌窩或塑孔狀。

非晶合金的斷裂在巨觀上表現為脆性,在微觀上表現為延性斷裂。

在恆定或不斷增加的載荷條件下,固體材料發生斷裂的機制概括有四種:

(1)解理斷裂機制:拉伸應力使原子間發生斷裂。

(2)塑形孔洞長大斷裂機制:孔洞長大和粗化,或通過塑性流動發生完全頸縮。

(3)蠕變斷裂機制:通過原子或空隙沿應力方向擴散使空穴長大、粗化。

(4)應力腐蝕開裂機制:應變速率參與的發生在裂紋尖端局部的化學侵蝕。

相關詞條

熱門詞條

聯絡我們