Механические свойства полимеров определяются их молекулярной структурой, степенью кристалличности, молекулярной массой, взаимодействиями между цепями и температурными условиями. В отличие от металлов и керамики, полимеры демонстрируют уникальное сочетание упругости, пластичности и вязкости, что обусловлено особенностями макромолекулярной организации.
1.1. Молекулярная масса и распределение цепей С увеличением молекулярной массы полимера повышается его прочность и вязкость, так как длинные цепи создают больше точек взаимодействия и механических узлов. Низкомолекулярные полимеры проявляют склонность к хрупкости, высокомолекулярные — к вязко-пластическому деформированию.
1.2. Тип соединений и жесткость цепей Жёсткие цепи (например, ароматические полимеры) обладают высокой прочностью, но ограниченной пластичностью, тогда как гибкие цепи (например, полиэтилен) легко растягиваются, демонстрируя высокую эластичность.
1.3. Степень кристалличности Кристаллические участки обеспечивают прочность и жесткость, аморфные — эластичность и способность к упругим деформациям. Полимеры с высокой степенью кристалличности, такие как полиэтилен высокой плотности, имеют высокие показатели прочности при растяжении, но низкую ударную вязкость.
1.4. Взаимодействие между цепями Гидрофобные взаимодействия, водородные связи и дисперсионные силы повышают сцепление между макромолекулами, что увеличивает модуль упругости и прочность. Наличие пластификаторов снижает межмолекулярные взаимодействия, увеличивая пластичность.
2.1. Прочность на растяжение Прочность на растяжение определяется максимальной нагрузкой, которую полимер может выдержать до разрушения. Для аморфных полимеров типично пластическое удлинение 100–700%, тогда как для кристаллических — менее 50–200%.
2.2. Модуль упругости (E) Модуль упругости характеризует жесткость материала. Полимеры обладают низким модулем по сравнению с металлами, но его значения сильно зависят от температуры и скорости деформации. В стеклообразном состоянии модуль высок, в резиноподобном — низок.
2.3. Вязкость и вязкоупругие свойства Полимеры демонстрируют вязкоупругое поведение: часть энергии при деформации возвращается (упругая составляющая), часть рассеивается (вязкая составляющая). Время релаксации и температурная зависимость играют ключевую роль в определении долговечности изделий.
2.4. Ударная вязкость и сопротивление разрушению Ударная вязкость определяется способностью материала поглощать энергию при резком воздействии. Аморфные полимеры при низких температурах становятся хрупкими, тогда как кристаллические структуры могут быть более ударопрочными за счёт дисперсии энергии по кристаллитам.
2.5. Ползучесть и релаксация напряжений Под длительной нагрузкой полимеры деформируются (ползут) даже при напряжениях ниже предела прочности. Этот процесс обусловлен медленным скольжением макромолекул и может приводить к постепенному разрушению. Релаксация напряжений — уменьшение внутреннего напряжения при постоянной деформации — также определяется вязкоупругими свойствами.
3.1. Стеклование и температурные переходы Температура стеклования (Tg) разделяет стеклообразное и резиноподобное состояния. Ниже Tg полимер твёрд и хрупок, выше Tg — эластичен и пластичен. Для кристаллических полимеров важна температура плавления (Tm), при которой происходит переход к вязкотекучему состоянию.
3.2. Эффект температуры на прочность и модуль С увеличением температуры модуль упругости падает, пластичность увеличивается. Эксплуатация при температурах выше Tg может привести к деформации под нагрузкой и потере геометрической формы.
3.3. Стресс-кризис при нагреве При длительном нагреве даже умеренные нагрузки могут привести к текучести или ползучести. Это критично для инженерных полимеров, применяемых в конструкциях с высокой термической нагрузкой.
4.1. Влияние влаги Некоторые полимеры поглощают влагу, что снижает прочность и увеличивает пластичность. Например, полиамиды демонстрируют заметное снижение модуля упругости при увлажнении.
4.2. УФ-излучение и старение УФ-излучение и окисление приводят к разрушению макромолекул, увеличению хрупкости и снижению ударной вязкости. Применение стабилизаторов позволяет продлить срок службы изделий.
4.3. Химическая агрессия Контакт с кислотами, щелочами и органическими растворителями может вызывать набухание, разрыв цепей или снижение прочности. Инженерные полимеры выбираются с учётом химической устойчивости к рабочей среде.
5.1. Испытания на растяжение Используются стандартные образцы и методы, позволяющие определить прочность, модуль упругости и относительное удлинение.
5.2. Испытания на сжатие и изгиб Показатели сжимаемой прочности и модуля изгиба важны для конструкционных полимеров и композитов.
5.3. Ударные испытания Метод Шарпи и метод Изода позволяют оценить ударную вязкость и хрупкость материала при динамических нагрузках.
5.4. Ползучесть и релаксация напряжений Длительные испытания под нагрузкой и температурой позволяют предсказать долговечность и деформационные характеристики полимерных изделий.
6.1. Аморфные полимеры Характеризуются высокой пластичностью, низкой жесткостью и значительным удлинением перед разрушением. Поведение зависит от скорости деформации и температуры относительно Tg.
6.2. Кристаллические полимеры Демонстрируют высокую прочность и модуль упругости. Хрупкость выше, чем у аморфных аналогов, особенно при температурах ниже Tg.
6.3. Блок-сополимеры и композиты Сочетание гибких и жестких сегментов позволяет достигать баланса между прочностью и эластичностью. Наполнители повышают жесткость и ударную вязкость, контролируя распределение напряжений.
Механические свойства определяют сферу применения полимеров:
Эффективное использование полимеров в инженерии требует точного понимания взаимосвязи структуры и механического поведения, а также учёта воздействия температуры, влажности и внешней среды.