形状记忆复合聚合物的回复行为研究

发布时间：2020-07-30 20:21

【摘要】：形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers,SMPs)是一类具有广阔前景的新型智能材料,其显著特征是具有形状记忆性能,即可感知特定的外界激励,如温度、光、电、磁场及水分等,并回复到预先设定好的形状。SMPs具有质量轻、可回复形变大、成本低等优点,但其力学性能相对较弱,研究人员向SMP基体中添加颗粒、纤维及织物等,制成形状记忆聚合物复合材料(Shape Memory Polymer Composites,SMPCs),从而在保持材料形状记忆性质的前提下,提高其力学性能。本文主要工作如下:首先,基于热粘弹性理论,针对SMPs建立了热-力学本构模型,利用广义Maxwell模型描述材料的粘弹性行为,利用Neo-Hookean模型描述材料的超弹性性质,并在有限元分析软件ABAQUS中模拟SMPs的热-力学循环过程,并研究温度变化速率对材料回复的影响。其次,研究了短切纤维增强SMPCs的升温自由回复行为。基于标准线性固体模型,利用KWW指数扩展因子修正的Prony级数形式的模量表达式,结合时温等效原理,得到形状回复率随升温时间的关系。最后,基于广义三单元模型,构建了颗粒增强SMPCs的热粘弹性有限变形本构模型,研究了该材料的热-力学行为及形状记忆性能。该模型结合了用于描述结构松弛的Adam-Gibbs模型和用于描述屈服行为的Eyring模型。考察了材料在不同温度下的单轴拉伸应力响应,模拟了材料的自由回复应变随温度的变化关系,预报了在不同升温速率下,材料的自由回复行为和约束回复行为。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB381;TQ317
【图文】：

示意图,循环试验,力学,示意图

图 1.1 典型的热-力学循环试验示意图地，不同的热致 SMPs 分子网络的形状记忆、储存与激发机理也不同。由结晶相真实存在，触发形状记忆效应的内在机理是熔融转变 (MeltingTranss 的形状效应则是由玻璃化转 (Glass Transition) 变触发的。应用前景较好，研究较广的热致 SMPs 如形状记忆聚苯乙烯、形状记忆聚忆环氧等，在室温下都表现为硬质塑料，当材料的温度上升到玻璃化转变。从宏观上看，由于室温低于材料的玻璃化转变温度，材料整体处于玻璃着温度的升高，材料经过玻璃化转变区，进入橡胶态 (RubberyState)，在这力松弛模量一般下降约三个数量级，而蠕变柔量则增加约三个数量级。合物分子层面来说，可以把单向记忆型热致双重形状记忆聚合物的分子网结构初始构型的固定相 (Fixed Phase) 和随外界环境而改变构型的可逆相部分组成。固定相主要是聚合物的交联结构、超高分子链的缠结结构等，化，其主要作用是在热-力学循环中记忆和恢复材料的初始永久形态；可逆，能随外界激励发生玻璃态和橡胶态转变，从而改变自身形态，其主要作

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链所固定、记忆并储存；再次升温，分子链活动性被激活，分子链料状态趋于平衡，储存的形变被释放，从而实现材料形状的回复[17状记忆聚合物的实验研究现状聚合物具有优良的性质及广阔的工程应用前景，因此研究该材料的不同环境中的力学行为，就显得非常必要。近年来，国内外学者对大量的实验研究。绘了形状记忆聚合物在预拉伸应变条件下的热-力学循环中应力-应可以看到在高温变形阶段(A→B)，材料表现出明显的粘弹性性能，-应变曲线呈线性变化；在约束降温阶段(B→C)，环境温度降低，材应变在外界逐渐增大的应力控制下保持恒定；在低温下载阶段(C→弹性，瞬时移除外界约束，应力为零，材料应变回弹了一小部分，物固定、记忆并储存；在升温回复阶段，对于自由回复(D→A)而言，材料的应变逐渐回复至初始状态，对于约束回复(D→E)而言，应一稳定值。

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形状记忆复合聚合物的回复行为研究型的优点在于简单易用，且能较好地符合实在结晶相，物理意义不明确。开发可追溯至上世纪九十年代，Tobushi 等胀的影响，将描述材料形状记忆过程中冻结模型中，构建的一维线性热粘弹性本构模行修正，使之成为一个能描述形状记忆聚氨。

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