热驱动形状记忆聚合物及其复合材料热力学本构模型

发布时间：2020-12-28 22:36

　　热驱动形状记忆聚合物主要通过温度变化来实现形状记忆和回复,因此热力学本构模型对其结构设计、力学特性和回复效果的预测具有重要作用。总结了近几十年来热驱动形状记忆聚合物热力学本构模型的发展动态,对相转变理论、粘弹性理论及两者相结合的方法进行了综述。评述了纤维增强和编织物增强形状记忆复合材料几种主要的热力本构模型。对热驱动形状记忆聚合物及其复合材料热力学本构模型的不足之处作了简要讨论,并展望了今后形状记忆聚合物及其复合材料本构模型的发展方向。 

【文章来源】：塑性工程学报. 2020年05期 北大核心

【文章页数】：15 页

【部分图文】：

线性粘弹性流变学模型示意图

形状记忆聚合物及其复合材料在受到特定刺激(电、光、磁、热等)后，可以从其变形的形状回复到其初始的形状。其中以热驱动的形状记忆最为普遍。典型的热驱动形状记忆材料的形状记忆循环如图1所示[4]，一般分为以下步骤:(1)将材料加热到玻璃化转变温度Tg或者融化温度Tm以上，并加载使其变形到特定形状;(2)保持变形并降温;(3)待降温过程结束后进行卸载;(4)将材料再次加热到玻璃化转变温度Tg或者融化温度Tm以上，使材料自动回复其初始形状[4]。由于整个形状记忆循环与载荷和温度密切相关，因此需要对形状记忆聚合物及其复合材料的热力学特性有更加深入的认识，并将其引入力学本构模型，以更好地完成形状记忆聚合物及其复合材料结构和形态的设计，优化形状记忆聚合物及其复合材料的加工和应用。自20世纪80年代形状记忆聚合物被发现以来，学者们对形状记忆聚合物的本构模型进行了大量的研究。早期的模型主要是小应变、流变学模型，通过弹簧和黏壶的组合来描述聚合物的形状记忆效应。这些模型虽然可以在一定程度上描述聚合物的形状恢复过程，但其预测能力有限，且仅限于一维变形的情况。近年来的模型逐渐向三维、大应变的方向发展，从形状记忆效应内在的物理机理上描述聚合物的形状恢复过程。本文回顾了热驱动SMP和SMPC的力学本构模型，讨论了这些模型存在的问题，以及今后SMP和SMPC力学本构模型的发展方向。

根据SMP的形状记忆效应机理，SMP在高温和低温下具有明显不同的力学特性。相转变模型将高温和低温下的SMP分别假设为两个不同的相，即玻璃化转变温度以上的活跃相和玻璃化转变温度以下的冻结相，如图2所示，且这两个相可以随着温度的变化而相互转变[6]。SMP整体在不同温度下的力学特性可以通过活跃相和冻结相的力学特性以及不同相的体积分数来表达。同时，相转变模型往往引入类似“储存变形”的物理参数来表达SMP形状的固定和恢复，从而实现SMP形状记忆效应的数学表达。LIU Y P等[6]提出了小应变的相转变理论来描述SMP的形状记忆效应，认为活跃相的分子链运动能力较强，其变形通过构象的变化来实现;冻结相的分子链运动能力较弱，其变形通过内能的变化来实现。随着温度的降低，冻结相的体积分数升高而活跃相的体积分数降低，两相之间的相互转变实现了形状记忆效应。该模型采用了均匀应力假设，即假设材料点在经过玻璃化转变前的活跃相和玻璃化转变后的冻结相中具有相同的应力，即活跃相和冻结相应力相等。式中:σa为活跃相应力;σf为冻结相应力;σ为基体总应力。


本文编号：2944499