形状记忆聚合物及其复合结构热力学性质研究

论文摘要

作为一类新型功能材料,形状记忆聚合物(SMP)较传统形状记忆合金和陶瓷而言,具有低密度、易制备、高应变冻结率、形状转变温度可调等优点,而且部分SMP还具有生物可降解性。因此其在工程领域具有极大的应用前景。SMP材料主要是通过热刺激实现形状记忆和恢复功能的,因此了解其热力学性质是促进这类功能材料工程应用的基础。此外,SMP作为一类有机高分子材料,其主要不足是刚度较低,为了有效提高其刚度和形状恢复力,在一些工程应用中往往考虑利用其增强结构,因此设计新的能有效提高其刚度和形状恢复力的形状记忆复合结构也是该领域的一个研究热点。本文主要围绕SMP基体及其增强复合结构热力学性质及形状记忆性能开展相关实验研究、数值模拟和理论分析。具体研究内容包括如下：1)SMP粘弹性实验研究.通过单轴循环加载及应力松弛实验,研究了SMP材料在橡胶态、玻璃态和形状转变区不同阶段的基本力学参数及粘弹效应,这为后续分析SMP在热力学循环过程中的响应特性提供依据。2)SMP形状冻结/恢复性质研究.考虑到SMP在实际使用过程中往往伴随热一机耦合作用,因此,首先测量了SMP在形状转变温度附近的热应变特性。在此基础上,通过单轴拉伸实验研究了SMP在不同预应变下的自由恢复性质及完全约束条件下的恢复性能,并利用三点弯曲实验研究了SMP在近似纯机械载荷作用下的形状记忆性质。3)SMP热力学本构方程建立.基于上述实验研究基础,借鉴高聚物结晶学理论,通过引入冻结份数概念,建立了一个新的热力学本构方程。相关理论分析结果与已有模型进行了比较。4)SMP三明治板形状记忆性质分析.首先,利用有限元方法分析了SMP三明治板结构的折叠变形,并依据极小势能原理求解了临界失稳理论解；其次,理论分析了SMP三明治板的过屈曲响应,并对其形状记忆性质进行了理论分析；最后,对SMP三明治板结构失效形式进行了讨论。5)SMP复合壳结构形状记忆性质分析.首先,数值分析了SMP复合壳的折叠性能,依据能量守恒原理分析了复合壳结构几何参数对其失稳性能的影响；其次,对SMP复合壳结构的形状记忆性质进行了理论分析；最后,对其结构失效控制进行了初步讨论。上述研究结果对了解该类功能材料变形机理和促进其工程应用具有重要的意义,而且对设计与研究新型SMP增强复合结构也有一定的借鉴意义。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 形状记忆聚合物
• 1.2.1 SMP变形机理及应用
• 1.2.2 SMP热力学性质实验研究进展
• 1.2.3 SMP热力学本构研究进展
• 1.2.4 颗粒/短纤维增强形状记忆复合材料
• 1.3 连续纤维增强形状记忆复合材料
• 1.3.1 EMC基本变形机理
• 1.3.2 EMC折叠变形研究进展
• 1.3.3 EMC在空间可展结构中的应用
• 1.4 本文研究目的及主要内容
• 1.4.1 本文研究目的
• 1.4.2 本文研究主要内容
• 第2章 SMP粘弹特性实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 SMP粘弹性实验方案
• 2.2.1 应力循环实验
• 2.2.2 应力松弛实验
• 2.3 实验结果及讨论
• 2.3.1 应力循环实验
• 2.3.2 应力松弛实验
• 2.4 本章小结
• 第3章 SMP形状记忆性质实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 SMP形状记忆性质实验方案
• 3.2.1 单轴拉伸实验
• 3.2.2 三点弯曲实验
• 3.3 实验结果及讨论
• 3.3.1 热应变
• 3.3.2 形状记忆性质
• 3.4 本章小结
• 第4章 SMP热力学本构理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 SMP本构方程
• 4.2.1 机理分析
• 4.2.2 热力学过程分析
• 4.2.3 冻结份数的确定
• 4.3 理论预测结果
• 4.4 不同模型预测结果比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 SMP三明治板形状记忆性质研究
• 5.1 引言
• 5.2 SMP三明治板折叠变形分析
• 5.2.1 基本变形机理
• 5.2.2 折叠变形有限元分析
• 5.2.3 临界屈曲解
• 5.2.4 后屈曲响应
• 5.3 SMP三明治板形状冻结性质研究
• 5.4 SMP三明治板形状恢复性质研究
• 5.4.1 自由恢复响应
• 5.4.2 完全约束恢复响应
• 5.5 SMP三明治板失效模式分析
• 5.5.1 SMP三明治板破坏失效分析
• 5.5.2 SMP三明治板展开失效分析
• 5.6 弹塑性变形对其形状记忆性质的影响
• 5.7 本章小结
• 第6章 SMP复合壳结构形状记忆性质研究
• 6.1 引言
• 6.2 SMP复合壳结构折叠性能研究
• 6.2.1 SMP复合壳弯曲过程有限元分析
• 6.2.2 SMP复合壳失稳模式分析
• 6.2.3 SMP复合壳过屈曲分析
• 6.3 SMP复合壳结构形状冻结性质研究
• 6.4 SMP复合壳结构自由恢复性质研究
• 6.5 SMP复合壳结构失效控制
• 6.5.1 损伤失效控制
• 6.5.2 功能失效控制
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集