橡膠材料性能的影響因素（材料物理）

材料化學(xué)組成和顯微結(jié)構(gòu)不同，決定其有不同的特性；

材料的內(nèi)部分子層次上，原子、離子之間的相互作用和化學(xué)鍵合對(duì)材料性能產(chǎn)生決定性的影響；

多晶多相材料的顯微結(jié)構(gòu)的不同，影響材料的大部分性能。

晶體結(jié)合類型、特征：

（1）離子晶體：離子鍵合、高硬度、高升華熱，可溶于極性溶劑、低溫不導(dǎo)電，高溫離子導(dǎo)電。

（2）共價(jià)晶體：共價(jià)鍵合、高硬度、高熔點(diǎn)，幾乎不溶于所有溶劑，高折射率，強(qiáng)反射本領(lǐng)。

（3）金屬晶體：金屬鍵合、高密度、導(dǎo)電率高，延展性好，只溶于液體金屬。

（4）分子晶體：范德華力結(jié)合，高熱膨脹，易溶于非極性有機(jī)溶劑中，低熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，壓縮系數(shù)大，保留分子的性質(zhì)。

（5）氫鍵：低熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，結(jié)合力高于無(wú)氫鍵的類似分子。

單晶體是由一個(gè)微小的晶核各向均勻生長(zhǎng)而成，其內(nèi)部的粒子基本上按其特有的規(guī)律整齊排列。

晶體微粒（包括離子、原子團(tuán)）在空間排列有一定的規(guī)律

晶體性質(zhì)：1.均與性；2.各向異性；3.規(guī)則的多面體外形；4.確定的熔點(diǎn)；5.對(duì)稱性

晶體可分為單晶、多晶、微晶等

微晶：粒度很小的晶體組成的物質(zhì)

（顯晶質(zhì)、隱晶質(zhì)、單晶、多晶）

晶體和非晶體的區(qū)別如下：

晶體有規(guī)則的幾何外形 非晶體沒有一定的外形

晶體有固定的熔點(diǎn) 非晶體沒有固定的熔點(diǎn)

晶體顯各向異性 非晶體顯各向同性

按熱力學(xué)觀點(diǎn)看：晶體一般都具有zui低的能量，因而較穩(wěn)定

 非晶體一般能量較高，都處于介穩(wěn)或亞穩(wěn)態(tài)

晶格確定步驟：1.確定基本結(jié)構(gòu)單元；2.將結(jié)構(gòu)基元看做一點(diǎn)；3.這些幾何點(diǎn)聚焦形成點(diǎn)陣

（面角守恒：同組晶體和對(duì)應(yīng)面之間夾角恒定不變）

材料應(yīng)用考慮因素：使用壽命、性能、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、性價(jià)比。

材料性能是一種用于表征材料在給定外界條件下的行為參量。

同一材料不同性能，只是相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在不同的外界條件下所表現(xiàn)出的不同行為。

材料性能的研究：

材料性能的研究，既是材料開發(fā)的出發(fā)點(diǎn)，也是其重要?dú)w屬。材料強(qiáng)度、表面光潔度、絕緣性能、熱導(dǎo)性、熱膨脹系數(shù)等是衡量基板材料好壞的重要指標(biāo)。材料性能的研究，有助于研究材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。材料性能就是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)敏感性能，更是如此。同樣，材料的性能，也反應(yīng)了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

應(yīng)力及應(yīng)變

材料在外力作用下發(fā)生形狀和尺寸的變化，稱為形變。

應(yīng)力：材料單位面積上所受的附加內(nèi)力，其值等于單位面積上所受的外力。

應(yīng)力；若受力后的面積為A，則 T=F/A為真實(shí)應(yīng)力。

應(yīng)變：用來表征材料受力時(shí)內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)位移。對(duì)于各向同性材料，有三種基本的應(yīng)變類型：拉伸應(yīng)變ε，剪切應(yīng)變 和壓縮應(yīng)變△。

拉伸應(yīng)變是指材料受到垂直于截面積方向的大小相等、方向相反并在同一直線上的兩個(gè)拉伸應(yīng)力 時(shí)材料發(fā)生的形變。一根長(zhǎng)度為l。的材料，在拉應(yīng)力 作用下被拉長(zhǎng)到l1，則其拉伸應(yīng)變ε為

 ε=（l1-l。）/l。=△l/l。

真實(shí)應(yīng)變定義為：    

剪切應(yīng)變是指下來受到平行于截面積方向的大小相等、方向相反的兩個(gè)剪切應(yīng)力 時(shí)發(fā)生的形變，在剪切了 作用下，材料發(fā)生偏斜，該偏斜角 的正切值定義為剪切應(yīng)變 ： =tan

壓縮應(yīng)變：指材料周圍受到均勻應(yīng)力P時(shí)，其體積從起始時(shí)的V0變化為V1的形變

 △=（V1-V0)/V0=△V/V0

總彈性應(yīng)變能非常小是所有脆性材料的特征；

彈性形變

對(duì)于理想的彈性材料，在應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生彈性形變，其應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系服從胡克定律，即應(yīng)力 與應(yīng)變ε成正比  =Eε

式中的比例系數(shù)E稱彈性模量，又稱彈性剛度后楊氏模量。 彈性模量是材料發(fā)生單位應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力，它表征材料抵抗形變的能力的大小。

在單方向收應(yīng)力 X時(shí)，y方向的應(yīng)變εyx=- yxεx=- yx X/Ex=S21 X

S21=- yx/Ex 稱為彈性柔順系數(shù)， 稱為橫向形變系數(shù)

彈性模量E反應(yīng)材料抵抗正應(yīng)變的能力；剪切模量G反應(yīng)材料抵抗剪切應(yīng)變的能力；泊松比 反應(yīng)材料橫向正應(yīng)變與受力方向線應(yīng)變的比值（G= / )

彈性模量的一影響因素：

（1）原子結(jié)構(gòu)的影響：原子間距大，彈性模量小。

定義各向等同的壓力P除以體積變化為材料的體積模量K

K=-P/(△V/V0)=-E/3(2 -1)

(2)溫度的影響：溫度升高，彈性模量降低

(3)相變的影響：相變改變材料結(jié)構(gòu)，彈性模量發(fā)生質(zhì)的變化。

復(fù)相位的彈性模量：

在兩相系統(tǒng)中，假定兩相的泊松比相同，在力的作用下應(yīng)變相同，則總彈性模量zui高值Eu=E1V1+E2V2  V1，V2分別為1,2相體積分?jǐn)?shù)

兩相材料zui小模量：1/El=V1/E1+V2/E2

對(duì)氣孔率為P的材料彈性模量的經(jīng)驗(yàn)式E=E0(1-1.9P+0.9P P)

塑性形變指外力移去后不能恢復(fù)的形變；材料在塑性形變時(shí)不被破壞的能力叫延展性。

應(yīng)力 應(yīng)變曲線中斜率為彈性模量

晶體受力時(shí)，晶體的一部分相對(duì)另一部分平移滑動(dòng)，這一過程叫做滑移。

晶體滑移特點(diǎn)：滑移距離??；滑移時(shí)不會(huì)遇到同號(hào)離子的斥力。

晶體滑動(dòng)總是發(fā)生在主要晶面和主要晶相上。這些晶面和晶相指數(shù)較小，原子密度較大，只要滑移較小的距離就可使晶體結(jié)構(gòu)復(fù)原。

滑移系統(tǒng)：滑移面+滑移方向

金屬易滑移而長(zhǎng)生塑性變形的原因是金屬的滑移系統(tǒng)多。

多晶材料比單晶材料更難滑移原因：對(duì)于多晶體材料，其晶粒在空間隨機(jī)分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪應(yīng)力差別很大，即使個(gè)別晶粒已達(dá)到臨界剪切應(yīng)力而發(fā)生滑移，也會(huì)受到周圍晶粒的制約，使滑移受到阻礙而終止。所以多晶材料更不易產(chǎn)生滑移。

 無(wú)機(jī)材料的晶格點(diǎn)陣常數(shù)大于金屬材料，難形成位錯(cuò)。無(wú)機(jī)材料由于其組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、共價(jià)鍵合離子鍵的方向性，滑移系統(tǒng)很少，只有少數(shù)無(wú)機(jī)材料晶體在室溫下具有延展性，這些晶體都屬于NaCl型結(jié)構(gòu)的離子晶體結(jié)構(gòu)。AlO3屬于剛玉型結(jié)構(gòu)，比較復(fù)雜，因而在室溫下不能產(chǎn)生滑移。

晶體的晶格滑移常是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果；【方解石（冰洲石）具有雙折射】

由于無(wú)機(jī)材料滑移面少，難以得到足夠的剪切力支持位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；多晶的位錯(cuò)常在晶界部位阻塞終止；無(wú)機(jī)材料的晶格點(diǎn)陣常數(shù)大于金屬材料，更難形成位錯(cuò)。

形變速率與剪應(yīng)力大小成正比；對(duì)于單晶要引起宏觀塑性變形必須：（1）有足夠多的位錯(cuò)；（2）位錯(cuò)有一定的運(yùn)動(dòng)速度；（3）柏氏矢量大

位錯(cuò)形成能：E=aG 形成位錯(cuò)所需要的能量（a.為常數(shù)，G為彈性模量，b相當(dāng)于晶格點(diǎn)陣常數(shù)）

滯彈性和內(nèi)耗

指材料在快速加載或卸載后，隨時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的性能

應(yīng)變松弛是固體材料在恒定荷載下，形變隨時(shí)間延續(xù)而緩慢增加的不平衡過程，或材料受力后內(nèi)部原子有不平衡的過程，也叫蠕變或形變。

應(yīng)力松弛是在持續(xù)外力的作用下，發(fā)生形變著的物體，在總的形變值保持不變的情況下，由于徐變形變漸增，彈性形變相應(yīng)減小，由此使物體的內(nèi)部應(yīng)力隨時(shí)間延續(xù)而逐漸減小的過程。

松弛應(yīng)力與松弛應(yīng)變都是材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象，都是指在外界條件影響下，材料內(nèi)部的原子從不平衡狀態(tài)通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新組合二達(dá)到平衡狀態(tài)的過程。

材料內(nèi)耗：由于內(nèi)部原因二十機(jī)械能消耗的現(xiàn)象。

材料的高溫蠕變 金屬材料、材料在長(zhǎng)時(shí)間高溫或恒應(yīng)力下應(yīng)變隨時(shí)間緩慢的塑性變化；無(wú)機(jī)材料高溫下原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，可以使位錯(cuò)從障礙中解放出來，發(fā)生運(yùn)動(dòng)，引起蠕變。位錯(cuò)釋放完成蠕變以后，蠕變速率降低 解釋減速蠕變階段；延長(zhǎng)時(shí)間，受阻礙較大的位錯(cuò)繼續(xù)釋放 解釋加速蠕變階段。

蠕變曲線

（1）起始段。在外力作用下發(fā)生瞬間彈性形變，即應(yīng)力和應(yīng)變同步

（2）*階段蠕變 過度階段：特點(diǎn)是應(yīng)變隨時(shí)間遞減，持續(xù)時(shí)間較短

（3）第二階段蠕變 穩(wěn)定蠕變：此階段形變速率小，且恒定。

（4）第三階段蠕變 加速蠕變：特點(diǎn)是曲線較陡，說明蠕變速率隨時(shí)間增加而快速增加。

影響蠕變因素：1.溫度：溫度升高，蠕變?cè)龃螅?.應(yīng)力：蠕變隨應(yīng)力增大而增大；3.晶體組成：結(jié)合力越大，越不容易發(fā)生蠕變；4.顯微結(jié)構(gòu)：氣孔率增加，蠕變率增加；晶粒越小，蠕變率增大；溫度升高，玻璃的黏度較低，形變塑速率增大，蠕變率增大（玻璃相）；不同組成蠕變性不同；共價(jià)鍵成分增加，蠕變減小。

材料的斷裂強(qiáng)度

脆性斷裂行為：外力 正應(yīng)力的彈性形變，剪應(yīng)力下的彈性畸變，外力撤銷 形變消失，剪應(yīng)力足夠大或溫度足夠高 位錯(cuò)滑移 塑性形變。但無(wú)機(jī)材料的玻璃相等非晶體相產(chǎn)生粘性流動(dòng)=粘性形變。應(yīng)力集中 裂紋和缺陷擴(kuò)散 脆性斷裂

臨界狀態(tài)：裂紋的橫向拉應(yīng)力=結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展 突發(fā)性斷裂

長(zhǎng)期受力：橫向拉應(yīng)力 結(jié)合強(qiáng)度，裂紋緩慢生長(zhǎng) 緩慢開裂

斷裂韌性：K=Y

是材料的本征參數(shù)，它反應(yīng)了具有裂紋的材料對(duì)外界作用的抵抗能力，即阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料的固有性能。

裂紋起源：（1）由于晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷，當(dāng)受到外力作用時(shí)，在這些缺陷處就引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋成核（2）材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋（3）由于熱應(yīng)力而形成裂紋

材料的斷裂強(qiáng)度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是取決于裂紋的大小，即是由zui危險(xiǎn)的裂紋尺寸（臨界裂紋尺寸）決定材料的斷裂強(qiáng)度，一旦裂紋超過臨界尺寸，斷裂就會(huì)迅速擴(kuò)展而斷裂。

蠕變斷裂：多晶材料在高溫時(shí)，在恒定應(yīng)力作用下由于形變不斷增加而導(dǎo)致的斷裂

蠕變斷裂明顯地取決于溫度和外加應(yīng)力。溫度越低，應(yīng)力越小，則蠕變斷裂所需的時(shí)間越長(zhǎng)。蠕變斷裂過程中裂紋的擴(kuò)展屬于亞臨界擴(kuò)展

顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料脆性斷裂的影響：

（1）晶粒尺寸：對(duì)多晶材料，晶粒越小，強(qiáng)度越高；多晶材料中初始裂紋尺寸與晶粒尺寸相當(dāng)，晶粒越細(xì)，初始裂紋尺寸越小，臨界應(yīng)力越高，即屈服應(yīng)力越高（2）氣孔的影響：大多數(shù)陶瓷材料的強(qiáng)度和彈性模量都隨氣孔率的增加而降低。

金屬材料的強(qiáng)化：加工硬化；細(xì)晶強(qiáng)化（通過晶粒粒度的細(xì)化來提高金屬的強(qiáng)度）；合金強(qiáng)化（通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬?gòu)?qiáng)度、硬度升高）；高溫強(qiáng)化

陶瓷材料的強(qiáng)化：微晶、高密度與高純度；預(yù)加應(yīng)力；化學(xué)強(qiáng)化；陶瓷材料的增韌

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