形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的力學(xué)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(lǐng)域的新型代表之一，具有驅(qū)動方式多樣（熱、光、磁、電、水、溶液），變形能力強(qiáng)(400％以上)，回復(fù)率高(100％)，易于加工成型等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一。相比于常規(guī)聚合物材料，形狀記憶聚合物因其獨(dú)特的形狀記憶特性將有望極大推動智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展，同時在紡織、醫(yī)學(xué)、航空、航天、微電子等領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)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(fù)合材料的力學(xué)行為進(jìn)行了一系列研究及表征工作，測定了上述材料的基本力學(xué)性能，分析了不同加載條件對材料力學(xué)行為的影響;提出了能夠合理解釋形狀記憶效應(yīng)的新型相變模型，基于經(jīng)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(fù)合材料的力學(xué)性能、形狀回復(fù)行為的三維本構(gòu)方程，并通過與試驗結(jié)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(xué)性能測試實驗。通過動態(tài)熱機(jī)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(jī)，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(yīng)變速率）對材料力學(xué)行為的影響;通過恒應(yīng)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(gòu)模型的建立提供了實驗基礎(chǔ);

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(xué)響應(yīng)。
　　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(nèi)部各相間體積分?jǐn)?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(jié)構(gòu)形式簡單，且相關(guān)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(xué)行為及形狀記憶

5、特性的三維本構(gòu)模型。新建模型中，形狀記憶聚合物材料整體應(yīng)變被分為:凍結(jié)態(tài)應(yīng)變，活躍態(tài)應(yīng)變，儲存應(yīng)變及熱膨脹應(yīng)變，給出了高溫加載、形狀固定、升溫回復(fù)各個階段材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系;重點(diǎn)討論了儲存應(yīng)變在形狀固定及升溫回復(fù)階段隨溫度的變化規(guī)律，而凍結(jié)態(tài)應(yīng)變、活躍態(tài)應(yīng)變則通過粘彈性理論分別給出。通過與實驗結(jié)果的對比，驗證了三維本構(gòu)模型在表征形狀記憶聚合物恒溫加載、恒應(yīng)變降溫（形狀同定）以及高溫回復(fù)階段力學(xué)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(gòu)方程?；诒疚脑囼灲Y(jié)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(yīng)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(yīng)力的形狀記憶聚合物相變理論模型，給出了考慮應(yīng)力影響條件下的凍結(jié)態(tài)體積分?jǐn)?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(gòu)模型?；谛螤钣洃浘酆衔锏穆氏嚓P(guān)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(gòu)模型，通過與實驗結(jié)果的對比，驗證了模型的準(zhǔn)確性。