形狀記憶聚合物本構(gòu)方程的構(gòu)建及實驗驗證.pdf

1、形狀記憶聚合物具有良好的可恢復性、低密度、易加工、形狀轉(zhuǎn)變溫度不高且可調(diào)、恢復行為的可操作性和較好的生物相容性等特性，在醫(yī)療、紡織、機械、化工等領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。由于形狀記憶的實質(zhì)是材料在一定環(huán)境條件下的應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)行為，因此，構(gòu)建形狀記憶聚合物在不同條件下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)行為的本構(gòu)方程，不但可以預(yù)測材料的力學性能，優(yōu)化形狀記憶性能，而且對揭示形狀記憶聚合物的形狀記憶機理，具有十分重要的作用和意義。
　　為了構(gòu)建形狀記憶聚合物應(yīng)力

2、應(yīng)變響應(yīng)行為的本構(gòu)方程，本文以相轉(zhuǎn)變理論為基礎(chǔ)，分別構(gòu)建了形狀記憶聚合物的拉伸本構(gòu)方程和描述形狀記憶循環(huán)過程的本構(gòu)方程。為了驗證構(gòu)建的本構(gòu)方程，選用形狀記憶聚氨酯為實驗對象，采用小應(yīng)變拉伸測試、大應(yīng)變拉伸測試、應(yīng)力松弛測試、動態(tài)熱力學測試、形狀記憶循環(huán)測試，根據(jù)得到的測試結(jié)果對本構(gòu)方程中的參數(shù)進行擬合后，利用構(gòu)建的拉伸本構(gòu)方程對不同溫度下形狀記憶聚氨酯的應(yīng)力應(yīng)變行為和形狀記憶循環(huán)過程進行理論預(yù)測，并用實驗加以驗證。具體如下：
　　

3、首先，根據(jù)形狀記憶聚合物在外力的作用下，使其內(nèi)部原本被凍結(jié)的鏈段可以打破位壘而運動，從而發(fā)生從初始相到激活相的轉(zhuǎn)變的理論(外力使形狀記憶聚合物發(fā)生相轉(zhuǎn)變的理論)，引入了三元件模型，其中Maxwell模型代表初始相力學行為，用粘性應(yīng)變速率的變化規(guī)律描述相轉(zhuǎn)變過程，黏性應(yīng)變速率隨外力變化的規(guī)律近似于鏈段松弛時間與外力的關(guān)系；非線性彈簧(遵循Neo-Hookean定律)表示激活相的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系。構(gòu)建了一個拉伸過程中基于相轉(zhuǎn)變的非線性粘彈性

4、本構(gòu)方程。選用形狀記憶聚氨酯為實驗對象，確立本構(gòu)方程中的參數(shù)后，用構(gòu)建的本構(gòu)方程預(yù)測了在311.15 K與323.15 K下聚氨酯的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并用實驗加以驗證。結(jié)果顯示，在拉伸的初始階段，理論預(yù)測和實驗數(shù)據(jù)符合較好；隨著拉伸繼續(xù)進行(時間增加)，理論預(yù)測應(yīng)力略低于實驗結(jié)果，但總體的理論預(yù)測值和實驗結(jié)果具有良好的相符性。
　　其次，以溫度驅(qū)動相轉(zhuǎn)變的理論為基礎(chǔ)，假設(shè)隨著溫度的降低，形狀記憶聚合物內(nèi)發(fā)生從激活相到凍結(jié)相的轉(zhuǎn)變

5、；其中激活相是由鏈段能夠運動的區(qū)域所組成，凍結(jié)相是由鏈段被凍結(jié)的區(qū)域組成，并用凍結(jié)份數(shù)來描述相轉(zhuǎn)變過程。由于凍結(jié)相和激活相并不是以理想的串聯(lián)或并聯(lián)的形式連接在一起的，因此引入連接系數(shù)k描述兩相連接方式。用三元件模型分別描述激活相和凍結(jié)相的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建了一個關(guān)于形狀記憶循環(huán)過程的非線性粘彈性本構(gòu)方程。以形狀記憶聚氨酯為實驗對象，運用最小二乘法對本構(gòu)方程中的參數(shù)進行數(shù)值擬合，借助本構(gòu)方程對不同預(yù)應(yīng)變下形狀記憶聚氨酯的形狀記憶循環(huán)過