熱致非晶態(tài)形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的本構(gòu)研究.pdf

1、隨著形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料這類新型智能材料在變形飛行器、宇宙飛船中的自展開結(jié)構(gòu)以及智能醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾暸c應(yīng)用后，如何建立能描述和預(yù)報(bào)其形狀記憶效應(yīng)本構(gòu)模型的研究工作就顯得非常重要。形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料預(yù)期功能的實(shí)現(xiàn)主要借助于諸如溫度、電、磁、光、溶液等激勵(lì)方式引發(fā)的形狀記憶效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。由于溫度激勵(lì)方式便于實(shí)現(xiàn)，使得熱致形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料廣受關(guān)注。目前對(duì)形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的研究主要集中在材料開發(fā)

2、與工程應(yīng)用層面，而對(duì)其本構(gòu)模型的研究則相對(duì)落后。實(shí)際上，合理本構(gòu)模型的建立對(duì)準(zhǔn)確理解和掌握形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的形狀記憶機(jī)理有至關(guān)重要的作用。
　　本文針對(duì)熱致非晶態(tài)形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料分別利用相變和熱粘彈性的方法建立其本構(gòu)模型，主要內(nèi)容包括：
　　1.針對(duì)熱致非晶態(tài)形狀記憶聚合物中的一類材料——形狀記憶聚氨酯，建立了一種基于相變的唯象學(xué)本構(gòu)模型。在熱激勵(lì)條件下，發(fā)生有限預(yù)變形的形狀記憶聚氨酯的形狀記憶效應(yīng)是由分

3、子構(gòu)形中軟硬段的共同作用實(shí)現(xiàn)的。利用高分子仿射模型模擬軟段相的力學(xué)行為，考慮到硬段相在拉伸后的結(jié)構(gòu)改變，利用一種新的四單元回復(fù)模型來描述硬段相的回復(fù)行為。此外，由于形狀記憶聚氨酯是溫度敏感材料，也研究了溫度對(duì)材料粘性參數(shù)的影響。
　　2.針對(duì)熱致非晶態(tài)形狀記憶聚合物開發(fā)了一種含有結(jié)構(gòu)與應(yīng)力松弛且適用于有限變形的熱粘彈塑性本構(gòu)模型。利用非線性Adam-Gibbs模型描述了結(jié)構(gòu)松弛，提出了一種能適用于描述玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)間粘性流動(dòng)的修正的

4、Argon標(biāo)量方程，利用Arruda-Boyce的八鏈模型描述材料發(fā)生大變形的超彈性行為，另外應(yīng)用了一種唯象學(xué)的演變規(guī)律進(jìn)一步表征了材料屈服后宏觀的應(yīng)變軟化行為。
　　3.基于廣義有限變形粘彈性理論提出了一種可用于預(yù)報(bào)熱致非晶態(tài)形狀記憶聚合物回復(fù)行為的熱粘彈性建模方法。利用非線性擬合材料應(yīng)力松弛主曲線的方法獲取了廣義Maxwell模型的一系列模量與松弛時(shí)間，利用Ogden形式的超彈性模型描述了材料的超彈性行為。為了簡化問題，僅用W

5、illiams-Landel-Ferry(WLF)方程描述了利用時(shí)溫等效原理得到的水平移動(dòng)因子。此外，從熱力學(xué)角度研究了將材料開發(fā)為一種醫(yī)用熱敏性血管支架的潛能并探討了該材料制成的懸臂梁的形狀記憶效應(yīng)。
　　4.針對(duì)熱致非晶態(tài)形狀記憶聚合物基復(fù)合泡沫材料提出了一種含有結(jié)構(gòu)與應(yīng)力松弛的多鏈粘彈塑性有限變形本構(gòu)模型。利用混合律將該復(fù)合泡沫材料的機(jī)械變形梯度分解為形狀記憶聚合物基體部分與彈性玻璃微球增強(qiáng)相部分，利用非線性Adam-Gib

6、bs模型描述整個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)間的結(jié)構(gòu)松弛。此外，一種含有修正的Eying粘性流動(dòng)模型的多鏈模型被用來描述形狀記憶聚合物的多重松弛過程。玻璃微球增強(qiáng)相的變形可以分解為彈性與非彈性部分。利用一種唯象學(xué)的演變規(guī)律來表征復(fù)合泡沫材料屈服后宏觀的應(yīng)變軟化行為。最后，研究了模型中的材料參數(shù)，以期對(duì)這種復(fù)合泡沫材料的合理設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。
　　5.利用多重松弛型熱粘彈性建模方法在Abaqus軟件平臺(tái)上從宏觀層面建立了一種適用于形狀記憶聚合物及