基于形状记忆聚合物的可变形组合模具研究

发布时间：2020-01-31 21:57

【摘要】：形状记忆聚合物(shape memory polymer,SMP)是近年来兴起的一类新型聚合物材料,该种材料在一定条件下赋予其一定的形状,当受到外界施加的激励时,可以到达可变状态并发生预先设定好的形状变化,此时完成变形过程和形状记忆效应。本文主要研究和验证基于苯乙烯基形状记忆聚合物制备可变形智能模具的可行性和实用性。对材料进行形状记忆聚合物热粘弹性性能表征,通过动态机械分析实验,等温拉伸试验,应力松弛实验,蠕变实验等表征本文所用苯乙烯基形状记忆聚合物的基本热力学和力学性能,确定粘弹性材料参数。基于粘弹性材料本构模型和粘弹体分析理论建立适用于苯乙烯基形状记忆聚合物的热力学粘弹体本构模型,在经典模型中加入滑移单元并考虑材料的塑性变形、蠕变、应力松弛、剩余应变、热膨胀率等因素,通过张量变化形式推导三维尺度下的材料本构方程。根据推出的三维尺度下的材料本构关系,结合材料性能测试得出的相关材料参数,用张量形式编写可供有限元分析软件调用的UMAT子程序,用于对复杂应力状态下形状记忆聚合物热力学行为进行有限元分析,针对可变形模具进行壁厚与施加压强优化,分析形状记忆聚合物模具在变形中的受力和形变情况,探究吹塑过程中易发生损坏的部位,为实验提供参考和依据。从实验角度测试苯乙烯基形状记忆聚合物模具,在加热条件下对基态模具赋形,制备异型模具,使用三维扫描数字散斑应变仪测量其形状固定率,形状回复率,形状回复速率等参数,以验证产品的实用性和可行性。
【图文】：

形状记忆材料,形状记忆聚合物

当受到外界施加的激励（如温度变化，电压变化等）时，可以到达可变状态并发生预先设定好的形状变化，此时完成初始态-可变态-恢复初始态的循环，也被形象的称为记忆效应。图1-1所示的是形状记忆聚合物板在水浴加热条件下回复形状的过程示意图。图1-1 形状记忆材料展开过程从微观角度来看，可以将材料的组分分成固定相和可逆相态，以热诱导形状记忆聚合物为例[1]，固定相被用来固定材料在低温时候的结构和形状，固定相可以是聚合物的分子交联结构，也可以是部分晶体结构、超高分子链缠绕结构等，可逆相是可结晶相，包括可以发生玻璃态与橡胶态双向转变的结构。图1-2所示的为形状记忆聚合物从赋形到变形再到升温恢复的流程图。

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 2 -图1-2 典型的形状记忆回复示意图典型的形状记忆效应中三维应力-应变-温度关系曲线如图1-3所示，第一阶段，形状记忆聚合物在玻璃态转变温度以上条件下被施加外力完成形状改变。第二阶段，保持应变不变的情况下，即保证材料形状不变的情况下降低温度，让材料冷却至玻璃态转变温度以下。第三阶段，撤掉外力，让材料在无外力施加的条件下将形状固定，同时弹性变形恢复。第四阶段，对材料进行升温，再次加热至玻璃态转变温度以上，材料发生形变，恢复到最初成型加工出来的形状，至此，，一个完整的形状记忆恢复过程完成。图1-3 形状记忆效应过程中应力-应变-?
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB381;TQ317

【参考文献】