形状记忆环氧聚合物及其复合材料的典型力学行为研究

发布时间：2017-08-13 17:19

  本文关键词：形状记忆环氧聚合物及其复合材料的典型力学行为研究

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【摘要】：形状记忆聚合物复合材料是一种新型的智能材料,相比较于形状记忆合金和陶瓷,具有轻质,价廉和可回复变形率较大(最大形状回复应变率可达到100%以上)等特点,在航空航天、生物医学、智能仿生等领域具有广泛的应用前景。尤其是为应用于航空、航天领域的主动变形结构(可展开铰链、充气管、可变翼的蒙皮结构等等)提供了材料基础,有望推动航空航天飞行器上智能主动变形结构的迅速发展。然而目前的研究中,针对特定的航空、航天领域的应用来说,形状记忆聚合物及其复合材料发展的历史相对较短,材料的空间适应性还缺乏全面的研究;此外,一些基础力学问题,如材料的本构关系、强度分析、屈曲行为等,研究者对它的理论认识还不够全面、也不深刻,而这些问题严重地限制了形状记忆聚合物及其复合材料在航空、航天领域主动变形结构的深入发展和应用。在这样的背景下,本文主要围绕环氧基形状记忆聚合物及其复合材料的空间环境适应性、本构关系、强度和屈曲行为等基本力学性能开展相关的实验研究、理论分析和数值模拟。本文首先考察了环氧基形状记忆聚合物及其复合材料在模拟空间环境条件下的抗原子氧、紫外和热真空性能,并据此分析了材料的微观结构与宏观性能间的联系;随后完成了碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料的本构关系和强度的研究;最后完成了复合材料片层在弯曲变形条件下的屈曲行为研究。本文首先完成了形状记忆聚合物及其复合材料的耐原子氧、紫外和热真空这三种空间环境辐照的研究。结果表明,在分别经历飞行器在太空飞行一年累积的热真空、紫外和原子氧辐照剂量之后,形状记忆聚合物复合材料的力学性能、微观形态和形状记忆性能的变化较小,表现出良好的耐空间环境辐照的特性。经过热真空环境辐照后,形状记忆聚合物质量损失率始终低于0.7%,强度轻微上升,断裂延伸率微降,聚合物网络中化学官能团的种类没有发生变化,玻璃化转变温度以及储存模量微升,形状回复率稳定保持在将近100%。复合材料强度及断裂延伸率微降。经过紫外辐照之后,聚合物质量损失率始终低于0.7%,玻璃化转变温度、弹性模量、强度有较大的提高。复合材料的强度和模量先微降后上升,形状回复率接近100%。经过原子氧辐照后,聚合物表层的树脂部分被原子氧腐蚀,质量损失率低于2.7%,屈服强度、弹性模量和断裂延伸率有大约10%的下降。复合材料弹性模量依旧保持在9.3GPa,强度在112MPa以上。玻璃化转变温度等动态力学性能和形状回复率都几乎没有改变。其次,本文基于形状记忆聚合物在热力学循环过程中玻璃相小应变与橡胶相大应变共存的现象,借鉴高聚物结晶学理论,通过引入冻结份数概念,建立了形状记忆聚合物的三维本构方程。在这个模型中,应变被分解成三个部分:储存应变、内能应变以及热应变。其中,内能应变被分解成玻璃相小应变和橡胶相大应变。玻璃相和橡胶相的体积份数可通过温度的改变来互相转化,玻璃相的热力学行为通过胡克定律来表征,而橡胶相的超弹性力学特征通过新型胡克定律来体现。模型的有效性通过实验进行了验证。进一步,基于形状记忆聚合物玻璃相-橡胶相两相理论及复合材料桥联模型,描述了纤维增强体和形状记忆聚合物基体之间的应力应变分配,建立了单向碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料的热力学本构关系模型,模型的有效性得到了实验的验证。基于所建立的模型,研究了不同纤维含量和温度下,冻结应变的储存和释放、应力的回复。再次,作为空间可展开结构/机构的主要部件材料,形状记忆聚合物复合材料暴露于长周期温度剧烈改变的环境中,因此有必要研究温度对形状记忆聚合物复合材料的强度特性的影响。在本文中,基于复合材料桥联模型、形状记忆聚合物本构关系、聚合物强度理论和复合材料层合板理论,提出了一种形状记忆聚合物复合材料的强度预测方法。通过考虑片层的材料特性和几何参数影响,预测了纤维含量、温度等因素对形状记忆聚合物复合材料强度的影响程度。形状记忆聚合物复合材料的轴向强度和弹性模量受到温度的影响较小,但是受纤维含量的影响比较大;横向强度随着温度的升高不断降低,随纤维含量的增加而增加的程度较小;温度对面内剪切强度的影响较小,纤维含量对面内剪切强度的影响较大。最后,形状记忆聚合物复合材料通常制作成铰链结构应用于大型空间可展开结构的展开驱动机构中,通常是采用铰链结构。为了增加形状记忆聚合物复合材料铰链结构在驱动过程中的回复力,在形状记忆聚合物复合材料铰链片层外侧粘结一层金属膜。基于这一复合片层结构的弯曲变形过程,建立了金属膜\纤维增强形状记忆聚合物复合材料片层的系统应变能表达式。基于最小能量原理,构建了片层在弯曲变形条件下的屈曲分析力学模型,得出了形状记忆复合材料在弯曲变形过程中关键参数的解析表达式,如片层宏观应变、中性面位置、临界屈曲曲率、临界屈曲位置、纤维屈曲幅值以及回复力矩等,给出了关键参数随片层的几何参数和材料特性的变化规律。最后对形状记忆复合材料屈曲变形过程进行了有限元模拟验证,证明了理论的准确性。
【关键词】：形状记忆聚合物 纤维增强复合材料 本构关系 强度 屈曲行为 辐照
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-30
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 形状记忆聚合物及其复合材料15-20
• 1.2.1 形状记忆聚合物15-17
• 1.2.2 形状记忆聚合物复合材料及其空间可展开结构17-20
• 1.3 空间环境对聚合物及复合材料性能影响20-23
• 1.3.1 空间环境因素20-21
• 1.3.2 空间环境对聚合物及复合材料影响的研究进展21-23
• 1.4 形状记忆聚合物及复合材料力学问题研究进展23-29
• 1.4.1 形状记忆聚合物本构关系23-25
• 1.4.2 形状记忆聚合物复合材料本构关系25-26
• 1.4.3 屈曲及后屈曲行为26-29
• １.5 本文主要研究内容29-30
• 第2章 环氧形状记忆聚合物及其复合材料耐受空间辐照特性研究30-58
• 2.1 引言30
• 2.2 试样制备30-31
• 2.3 实验设备及实验条件31-32
• 2.4 空间热真空环境对环氧形状记忆聚合物及其复合材料的影响32-40
• 2.4.1 热真空环境对质量损失的影响32-33
• 2.4.2 热真空环境对微观结构的影响33-35
• 2.4.3 热真空环境对热力学性能的影响35-39
• 2.4.4 热真空环境对形状记忆效应的影响39-40
• 2.5 空间紫外环境对环氧形状记忆聚合物及其复合材料的影响40-49
• 2.5.1 紫外环境对质量损失的影响40-42
• 2.5.2 紫外环境对微观结构的影响42-44
• 2.5.3 紫外环境对热力学性能的影响44-48
• 2.5.4 紫外环境对形状记忆效应的影响48-49
• 2.6 空间原子氧环境对环氧形状记忆聚合物及其复合材料影响49-57
• 2.6.1 原子氧环境对质量损失的影响49-51
• 2.6.2 原子氧环境对微观结构的影响51-53
• 2.6.3 原子氧环境对热力学性能的影响53-56
• 2.6.4 原子氧环境对形状记忆效应的影响56-57
• 2.7 本章小结57-58
• 第3章 形状记忆聚合物及其复合材料热力学本构关系研究58-80
• 3.1 引言58
• 3.2 形状记忆聚合物本构关系58-66
• 3.2.1 形状记忆聚合物本构关系的建立58-63
• 3.2.3 形状记忆聚合物本构模型验证63-66
• 3.3 形状记忆聚合物复合材料本构关系66-79
• 3.3.1 形状记忆聚合物复合材料本构关系的建立66-72
• 3.3.2 实验以及本构关系验证72-76
• 3.3.3 形状记忆聚合物复合材料本构关系应用76-79
• 3.4 本章小结79-80
• 第4章 形状记忆聚合物复合材料强度分析80-97
• 4.1 引言80
• 4.2 基于桥联模型的形状记忆聚合物复合材料强度模型80-89
• 4.2.1 聚合物基体强度82-83
• 4.2.2 形状记忆聚合物强度83-84
• 4.2.3 形状记忆聚合物复合材料强度分析84-89
• 4.3 形状记忆聚合物复合材料强度模型验证及应用89-95
• 4.3.1 参数确定以及模型验证89-91
• 4.3.2 模型的应用91-95
• 4.4 本章小结95-97
• 第5章 形状记忆复合材料片层屈曲行为分析97-111
• 5.1 引言97
• 5.2 纤维增强形状记忆复合材料的屈曲变形行为97-108
• 5.2.1 屈曲过程中的三维变形行为97-100
• 5.2.2 体系应变能100-102
• 5.2.3 关键参数的确定102-108
• 5.3 复合材料片层屈曲理论模型的有限元验证108-109
• 5.4 本章小结109-111
• 结论111-114
• 参考文献114-125
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文125-127
• 致谢127-128
• 个人简历128

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本文编号：668444