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橡膠材料性能的影響因素（材料物理）
橡膠材料性能的影響因素（材料物理）
材料化學組成和顯微結(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鍵合對材料性能產(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、低溫不導電，高溫離子導電。
（2）共價晶體：共價鍵合、高硬度、高熔點，幾乎不溶于所有溶劑，高折射率，強反射本領(lǐng)。
（3）金屬晶體：金屬鍵合、高密度、導電率高，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，易溶于非極性有機溶劑中，低熔點、沸點，壓縮系數(shù)大，保留分子的性質(zhì)。
（5）氫鍵：低熔點、沸點，結(jié)合力高于無氫鍵的類似分子。
單晶體是由一個微小的晶核各向均勻生長而成，其內(nèi)部的粒子基本上按其*的規(guī)律整齊排列。
晶體微粒（包括離子、原子團）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；5.對稱性
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 非晶體沒有固定的熔點
晶體顯各向異性 非晶體顯各向同性
按熱力學觀點看：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；3.這些幾何點聚焦形成點陣
（面角守恒：同組晶體和對應面之間夾角恒定不變）
材料應用考慮因素：使用壽命、性能、可靠性、環(huán)境適應性、性價比。
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，也是其重要歸屬。材料強度、表面光潔度、絕緣性能、熱導性、熱膨脹系數(shù)等是衡量基板材料好壞的重要指標。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)，對結(jié)構(gòu)敏感性能，更是如此。同樣，材料的性能，也反應了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
應力及應變
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。
應力；若受力后的面積為A，則σT=F/A為真實應力。
應變：用來表征材料受力時內(nèi)部各質(zhì)點之間的相對位移。對于各向同性材料，有三種基本的應變類型：拉伸應變ε，剪切應變γ和壓縮應變△。
拉伸應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拉伸應力σ時材料發(fā)生的形變。一根長度為l。的材料，在拉應力σ作用下被拉長到l1，則其拉伸應變ε為
ε=（l1-l。）/l。=△l/l。
真實應變定義為：
剪切應變是指下來受到平行于截面積方向的大小相等、方向相反的兩個剪切應力τ時發(fā)生的形變，在剪切了τ作用下，材料發(fā)生偏斜，該偏斜角θ的正切值定義為剪切應變γ：γ=tanθ
壓縮應變：指材料周圍受到均勻應力P時，其體積從起始時的V0變化為V1的形變
△=（V1-V0)/V0=△V/V0
總彈性應變能非常小是所有脆性材料的特征；
彈性形變
對于理想的彈性材料，在應力作用下會發(fā)生彈性形變，其應力與應變關(guān)系服從胡克定律，即應力σ與應變ε成正比 σ=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)生單位應變時的應力，它表征材料抵抗形變的能力的大小。
在單方向收應力σX時，y方向的應變εyx=-μyxεx=-μyxσX/Ex=S21σX
S21=-μyx/Ex 稱為彈性柔順系數(shù)，μ稱為橫向形變系數(shù)
彈性模量E反應材料抵抗正應變的能力；剪切模量G反應材料抵抗剪切應變的能力；泊松比μ反應材料橫向正應變與受力方向線應變的比值（G=τ/γ)
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(2μ-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相體積分數(shù)
兩相材料zui小模量：1/El=V1/E1+V2/E2
對氣孔率為P的材料彈性模量的經(jīng)驗式E=E0(1-1.9P+0.9P×P)
塑性形變指外力移去后不能恢復的形變；材料在塑性形變時不被破壞的能力叫延展性。
應力——應變曲線中斜率為彈性模量
晶體受力時，晶體的一部分相對另一部分平移滑動，這一過程叫做滑移。
晶體滑移特點：滑移距離??；滑移時不會遇到同號離子的斥力。
晶體滑動總是發(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)復原。
滑移系統(tǒng)：滑移面+滑移方向
金屬易滑移而長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：對于多晶體材料，其晶粒在空間隨機分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪應力差別很大，即使個別晶粒已達到臨界剪切應力而發(fā)生滑移，也會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。
無機材料的晶格點陣常數(shù)大于金屬材料，難形成位錯。無機材料由于其組成復雜、結(jié)構(gòu)復雜、共價鍵合離子鍵的方向性，滑移系統(tǒng)很少，只有少數(shù)無機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運動的結(jié)果；【方解石（冰洲石）具有雙折射】
由于無機材料滑移面少，難以得到足夠的剪切力支持位錯運動；多晶的位錯常在晶界部位阻塞終止；無機材料的晶格點陣常數(shù)大于金屬材料，更難形成位錯。
形變速率與剪應力大小成正比；對于單晶要引起宏觀塑性變形必須：（1）有足夠多的位錯；（2）位錯有一定的運動速度；（3）柏氏矢量大
位錯形成能：E=aG 形成位錯所需要的能量（a.為常數(shù)，G為彈性模量，b相當于晶格點陣常數(shù)）
滯彈性和內(nèi)耗
指材料在快速加載或卸載后，隨時間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應變的性能
應變松弛是固體材料在恒定荷載下，形變隨時間延續(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，彈性形變相應減小，由此使物體的內(nèi)部應力隨時間延續(xù)而逐漸減小的過程。
松弛應力與松弛應變都是材料的應力與應變關(guān)系隨時間而變化的現(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)重新組合二達到平衡狀態(tài)的過程。
材料內(nèi)耗：由于內(nèi)部原因二十機械能消耗的現(xiàn)象。
材料的高溫蠕變 金屬材料、材料在長時間高溫或恒應力下應變隨時間緩慢的塑性變化；無機材料高溫下原子熱運動加劇，可以使位錯從障礙中解放出來，發(fā)生運動，引起蠕變。位錯釋放完成蠕變以后，蠕變速率降低→解釋減速蠕變階段；延長時間，受阻礙較大的位錯繼續(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，即應力和應變同步
（2）*階段蠕變——過度階段：特點是應變隨時間遞減，持續(xù)時間較短
（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：特點是曲線較陡，說明蠕變速率隨時間增加而快速增加。
影響蠕變因素：1.溫度：溫度升高，蠕變增大；2.應力：蠕變隨應力增大而增大；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；共價鍵成分增加，蠕變減小。
材料的斷裂強度
脆性斷裂行為：外力→正應力的彈性形變，剪應力下的彈性畸變，外力撤銷→形變消失，剪應力足夠大或溫度足夠高→位錯滑移→塑性形變。但無機材料的玻璃相等非晶體相產(chǎn)生粘性流動=粘性形變。應力集中→裂紋和缺陷擴散→脆性斷裂
臨界狀態(tài)：裂紋的橫向拉應力=結(jié)合強度，導致裂紋擴展→突發(fā)性斷裂
長期受力：橫向拉應力<結(jié)合強度，裂紋緩慢生長→緩慢開裂
斷裂韌性：K=Yσ≤
是材料的本征參數(shù)，它反應了具有裂紋的材料對外界作用的抵抗能力，即阻止裂紋擴展的能力，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，當受到外力作用時，在這些缺陷處就引起應力集中，導致裂紋成核（2）材料表面的機械損傷與化學腐蝕形成表面裂紋（3）由于熱應力而形成裂紋
材料的斷裂強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危險的裂紋尺寸（臨界裂紋尺寸）決定材料的斷裂強度，一旦裂紋超過臨界尺寸，斷裂就會迅速擴展而斷裂。
蠕變斷裂：多晶材料在高溫時，在恒定應力作用下由于形變不斷增加而導致的斷裂
蠕變斷裂明顯地取決于溫度和外加應力。溫度越低，應力越小，則蠕變斷裂所需的時間越長。蠕變斷裂過程中裂紋的擴展屬于亞臨界擴展
顯微結(jié)構(gòu)對材料脆性斷裂的影響：
（1）晶粒尺寸：對多晶材料，晶粒越小，強度越高；多晶材料中初始裂紋尺寸與晶粒尺寸相當，晶粒越細，初始裂紋尺寸越小，臨界應力越高，即屈服應力越高（2）氣孔的影響：大多數(shù)陶瓷材料的強度和彈性模量都隨氣孔率的增加而降低。
金屬材料的強化：加工硬化；細晶強化（通過晶粒粒度的細化來提高金屬的強度）；合金強化（通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬強度、硬度升高）；高溫強化
陶瓷材料的強化：微晶、高密度與高純度；預加應力；化學強化；陶瓷材料的增韌