形狀記憶聚合物及其復合材料的力學行為研究.pdf

1、形狀記憶聚合物（Shape Memory Polymers，SMPs）作為智能材料(Smart Materials)領域的新型代表之一，具有驅動方式多樣（熱、光、磁、電、水、溶液），變形能力強(400％以上)，回復率高(100％)，易于加工成型等優(yōu)點，逐漸成為學術界研究的熱點之一。相比于常規(guī)聚合物材料，形狀記憶聚合物因其獨特的形狀記憶特性將有望極大推動智能結構的發(fā)展，同時在紡織、醫(yī)學、航空、航天、微電子等領域具有較為廣闊的應用前景。

2、r>　　本文主要針對以環(huán)氧基(Epoxy)、苯乙烯基(Styrene)為代表的形狀記憶聚合物及其復合材料的力學行為進行了一系列研究及表征工作，測定了上述材料的基本力學性能，分析了不同加載條件對材料力學行為的影響;提出了能夠合理解釋形狀記憶效應的新型相變模型，基于經典粘彈性及相變理論，給出了精確表征形狀記憶聚合物及其復合材料的力學性能、形狀回復行為的三維本構方程，并通過與試驗結果的對比，驗證了新建模型的合理性與精確性。
　　首先，開

3、展了針對環(huán)氧基、苯乙烯基形狀記憶聚合物的動、靜態(tài)力學性能測試實驗。通過動態(tài)熱機械分析實驗，測定了形狀記憶聚合物相變溫度，得到了儲能模量隨溫度的變化規(guī)律;利用電子萬能試驗機，開展了環(huán)氧基、苯乙烯基形狀記憶聚合物的高、低溫拉斷試驗，研究了不同加載條件（溫度、應變速率）對材料力學行為的影響;通過恒應力升溫加載實驗，研究了載荷對形狀記憶聚合物相變溫度的影響，給出了苯乙烯基形狀記憶聚合物相變溫度隨載荷變化方程，為后續(xù)本構模型的建立提供了實驗基礎;

4、考慮到形狀記憶聚合物的實際使用需求，本文還開展了針對苯乙烯基形狀記憶聚合物的低周疲勞實驗，分析了材料在低周疲勞載荷條件下的力學響應。
　　其次，基于形狀記憶聚合物相變理論模型，合理解釋了形狀記憶聚合物的形狀記憶特性;給出了用以描述變溫過程中材料內部各相間體積分數(shù)隨溫度變化的正態(tài)分布模型;與現(xiàn)有模型相比，本文提出的模型結構形式簡單，且相關參數(shù)均具有明確的物理意義。
　　第三，建立了能夠表征形狀記憶聚合物粘彈性力學行為及形狀記憶

5、特性的三維本構模型。新建模型中，形狀記憶聚合物材料整體應變被分為:凍結態(tài)應變，活躍態(tài)應變，儲存應變及熱膨脹應變，給出了高溫加載、形狀固定、升溫回復各個階段材料的應力應變關系;重點討論了儲存應變在形狀固定及升溫回復階段隨溫度的變化規(guī)律，而凍結態(tài)應變、活躍態(tài)應變則通過粘彈性理論分別給出。通過與實驗結果的對比，驗證了三維本構模型在表征形狀記憶聚合物恒溫加載、恒應變降溫（形狀同定）以及高溫回復階段力學行為的精確性。
　　第四，給出了不同載

6、荷條件下的形狀記憶聚合物的三維本構方程。基于本文試驗結果，載荷對形狀記憶聚合物的相變溫度具有顯著影響;通過將應力作為除溫度外影響相變溫度的又一重要因素，建立了包含溫度及應力的形狀記憶聚合物相變理論模型，給出了考慮應力影響條件下的凍結態(tài)體積分數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，修正了本文第三章建立的三維本構模型。基于形狀記憶聚合物的率相關特性，本文還提出了考慮加載速率影響下形狀記憶聚合物三維本構模型，通過與實驗結果的對比，驗證了模型的準確性。