计及表/界面效应的含夹杂粘弹性材料的力学性质

论文摘要

以分散相的夹杂填充高分子聚合物形成复合材料,是高聚物材料增强增韧的有效途径之一。这类复合材料的宏观力学性质可以通过强度,韧性以及本构关系等指标来表征。这些量与材料的微结构各种形式的变形机制、各种形式的微损伤成核与演化规律以及不同机制之间的竞争消长过程密切相关。近年来,随着人们对材料力学行为的认识由宏观层次向着细、微观层次深入,发现当所研究的对象达到纳米尺度时,复合材料的力学性能不仅与基体与填充剂本身力学性质、含量、尺度有关,而且与二者表面能以及界面粘结能等有关。在小变形条件下,高分子材料的本构关系通常可以用粘弹性关系描述,因此,本文采用细观力学的方法,对含夹杂粘弹性复合材料的力学性质进行了研究。着重考察表/界面效应对材料局部变形以及对复合材料宏观力学性质的影响。研究内容包括:(1)计及表面效应的粘弹性孔隙材料的孔洞变形与宏观本构关系的研究。通过分析表面效应对孔洞变形的影响,给出了新的孔隙平均应变和平均应力的定义,并以此为基础导出了以基体平均应变(率)为参量表征的材料本构关系。通过数值分析方法,探讨了表面能对孔洞变形以及材料本构关系的影响。(2)计及表/界面效应的纳米粒子填充粘弹性材料的损伤演化与本构关系研究。通过能量守恒原理,给出了具有纳米尺度的颗粒界面脱粘的必要条件,并且给出了临界脱粘应力表达式。分析了表/界面效应对损伤演化的影响。(3)包埋在无限大粘弹性基体材料中的单纤维在横向荷载作用下部分脱粘的尺度效应分析。在平面应变假设的基础上,通过能量平衡,导出了单根纤维在横向荷载作用下的临界脱粘判据,并计算了在一维远场应变条件下纤维的临界脱粘时间。本文的研究结果对于复合材料的设计具有一定的理论参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 复合材料微损伤演化研究
• 1.3 复合材料的宏观本构关系研究
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 考虑表面效应的粘弹性孔隙材料的宏观本构关系
• 2.1 引言
• 2.2 线性粘弹性基体材料中单个孔洞的长大
• 2.2.1 外荷载作用下材料中单个孔洞的长大
• 2.2.2 孔洞长大数值计算与分析
• 2.3 考虑表面效应的孔隙材料的宏观本构模型
• 2.3.1 线性粘弹性基体孔隙材料的宏观本构研究
• 2.3.2 数值计算与分析
• 2.4 本章小结
• 3 考虑表/界面效应的纳米粒子填充粘弹性材料的损伤演化
• 3.1 引言
• 3.2 界面脱粘引起的微损伤成核
• 3.2.1 界面脱粘的临界应力分析
• 3.2.2 微损伤成核率
• 3.3 线性粘弹性基体材料中脱粘孔洞的增长
• 3.4 计及损伤演化的纳米复合材料宏观本构模型
• 3.5 数值计算及讨论
• 3.6 本章小结
• 4 粘弹性基体材料内单根纤维在横向荷载作用下界面的脱粘分析
• 4.1 引言
• 4.2 界面脱粘的能量分析
• 4.3 界面脱粘前后的应力应变分析
• 4.3.1 材料本构关系及相关假设
• 4.3.2 界面脱粘前后应力应变分析
• 4.4 实例分析
• 4.4.1 单向拉伸作用下界面脱粘的临界应力
• 4.4.2 数值计算及讨论
• 4.5 本章小结
• 5 全文总结
• 5.1 本文总结
• 5.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢