印刷油墨与弹道明胶的老化及力学行为研究

发布时间：2020-05-22 22:19

【摘要】：印刷油墨是一种分散体系,具有复杂的流变行为,表现出明显的触变性、屈服应力、老化以及剪切年轻化现象。油墨的流变属性是与其受力历史相关的,具有记忆特性。通过施加大应力的预剪切作用,能够消除所有受力历史的影响,建立标准的测试状态。在流动结束后,静置的油墨开始经历老化过程,其结构开始重构,从液态向微弱固体转变(sol-gel转变)。温度越高,转变发生的时间越快。在自然老化状态,油墨弹性模量可用拉伸指数模型描述。剪切作用会阻碍油墨的老化,使其年轻化。引入无量纲指数来表征印刷油墨的老化行为,通过时间尺度的变化,不同老化时间下的柔量曲线可以叠加成一条主曲线。我国将10wt%浓度的弹道明胶作为创伤弹道研究的标准靶标,用来模拟武器弹药在生物体内的创伤效果,评估枪弹的终端性能。弹道明胶的力学和流变属性直接影响到轻武器设计的评估结果。研究弹道明胶的结构稳定性(老化行为)、黏弹性、大变形和破裂等力学行为具有重要的应用价值。本文以10wt%浓度的弹道明胶为主要研究对象,通过震荡、蠕变、剪切、压缩等实验研究其老化与力学行为,为弹道实验时的靶标性质提供实用可靠的预测依据,为建立具有工程实用性和物理意义明确的轻武器杀伤机理和杀伤效能模型提供必要的力学参数和材料函数。弹道明胶具有明显的老化行为,其结构随时间演化可达数月之久。温度改变会引起弹道明胶的sol-gel相互转变。在不同温度下,弹道明胶的等温老化的弹性模量具自相似性。在给定的老化时间,弹性模量与温度近似成线性关系,且交汇于sol-gel转换点附近。根据分子链的二级反应动力学模型,引入一个老化速率常数,构建了一个描述弹道明胶在老化初级阶段(小于24小时)的弹性模量演化模型。老化速率常数与温度和过冷度的关系符合Flory-Weaver复性方程。通过对模量和时间进行无量纲化,不同温度下的老化曲线可叠加成一条主曲线。引入应变能密度来考察剪切过程对弹道明胶老化的影响。实验结果表明在某一温度下,存在一个临界应变能密度。当应变能密度小于该临界值时,剪切对弹道明胶的老化影响可以忽略。当应变能密度大于该临界值时,剪切使得弹道明胶老化速率常数减少,对应老化过程变缓,即剪切能够实现弹道明胶的年轻化。从弹道明胶的整个老化过程来观察,剪切所引起的年轻化行为是暂时的。随着老化时间增加,这种年轻化行为会逐渐趋近于自然状态下的老化过程。在不同的时间尺度下,明胶展现不同的黏弹性行为。通过对蠕变实验结果的分析,采用Burgers模型来描述弹道明胶的线性黏弹性行为。对某一应力下的蠕变实验结果进行拟合,得到模型的4个参数值。对三组不同应力下的蠕变曲线进行尺度变换,得到一条主曲线,用同一参数的模型对主曲线和松弛模量进行预测。结果表明Burgers模型能较好的预测弹道明胶在中等时间尺度下的蠕变和应力松弛行为。弹道明胶具有超弹性行为,在破裂之前能够承受大的剪切或压缩弹性变形,应力-应变曲线展现出应变硬化的特征。通过对常用大变形本构关系进行比较分析,可以用BST和ER本构关系来表征它的大变形行为。由于存在微观缺陷,弹道明胶的破裂具有一定的随机性。在简单剪切和单轴压缩实验中,破裂应力数据出现多分散性,破裂应变在较小的范围内变化。应变速率和温度变化对破裂应力和破裂应变有较明显的影响。通过对应力张量进行变化,求出破裂时的最大剪切应力,发现低应变速率下弹道明胶的破裂行为可以用Mohr-Coulomb失效准则来近似表征。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ01;TS802.3

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