形狀記憶聚合物本構(gòu)模型及TPI復(fù)合材料性能研究.pdf

1、形狀記憶聚合物（shape memory polymers，SMPs）是指具有形狀記憶效應(yīng)，在外部激勵(lì)條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)大變形回復(fù)的一類高分子聚合物材料。作為一種新型智能材料(Smart Materials)，形狀記憶聚合物具有低密度、低造價(jià)、強(qiáng)回復(fù)性能和優(yōu)異的加工性能等優(yōu)勢(shì)。在最近的30年里，形狀記憶聚合物成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究重點(diǎn)之一，并在紡織、醫(yī)學(xué)、航空、航天、微電子等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。
　　本文針對(duì)形狀記憶聚合物熱力學(xué)

2、行為，提出了一種新型的形狀記憶聚合物微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)合粘彈性理論，建立了一種熱力學(xué)粘彈性形狀記憶聚合物本構(gòu)模型。并制備了反1，4聚異戊二烯(TPI)形狀記憶聚合物、短切碳纖維增強(qiáng)TPI形狀記憶聚合物復(fù)合材料和短切碳纖維/納米顆粒/TPI形狀記憶聚合物混雜復(fù)合材料，并對(duì)其力學(xué)性能和形狀記憶性能進(jìn)行了測(cè)試與分析。
　　首先，借鑒半結(jié)晶聚合物微觀結(jié)構(gòu)，提出了一種新型的形狀記憶聚合物微觀結(jié)構(gòu)，并建立了一種熱力學(xué)粘彈性形狀記憶聚合物本構(gòu)模型。這

3、個(gè)模型清晰地描述了冷卻和加熱過程中形狀記憶聚合物的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的變化過程，并且預(yù)估了不可恢復(fù)變形的應(yīng)變值。這種新的熱力學(xué)粘彈性模型由機(jī)械和熱力學(xué)兩部分組成。給出了一種新型的凍結(jié)相轉(zhuǎn)變方程，這個(gè)方程考慮了相變延遲時(shí)間和降溫/升溫速率對(duì)相變轉(zhuǎn)換的影響?；趦鼋Y(jié)相轉(zhuǎn)變方程，導(dǎo)出了一種新型轉(zhuǎn)換方程用來描述形狀記憶聚合物熱力學(xué)膨脹系數(shù)的變化。最后，利用該新型熱力學(xué)粘彈性本構(gòu)模型估算了典型的熱力學(xué)循環(huán)試驗(yàn)過程。通過計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，對(duì)新型

4、熱力學(xué)粘彈性本構(gòu)模型的合理性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　其次，開發(fā)了一種新型的形狀記憶聚合物制備工藝，制備了TPI形狀記憶聚合物試件，并通過DSC試驗(yàn)、形狀記憶試驗(yàn)、力學(xué)拉伸試驗(yàn)和熱力學(xué)循環(huán)試驗(yàn)對(duì)TPI形狀記憶聚合物的熱力學(xué)性能和形狀記憶特性進(jìn)行分析。
　　再次，研發(fā)了一種新型的短切碳纖維增強(qiáng)TPI形狀記憶聚合物的制備工藝。采用該工藝，本文制備了短切碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5％，7％，9％，11％和13％的TPI形狀記憶聚合物復(fù)合

5、材料，并針對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度對(duì)TPI形狀記憶聚合物的影響進(jìn)行了研究。本文采用了新型的“折疊—展開”測(cè)試法對(duì)形狀記憶聚合物的形狀記憶性能進(jìn)行測(cè)試，并通過靜態(tài)拉伸試驗(yàn)、機(jī)械循環(huán)試驗(yàn)和熱力學(xué)循環(huán)試驗(yàn)對(duì)TPI形狀記憶聚合物的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。此外，顯微照片也用來表征TPI形狀記憶聚合物復(fù)合材料的斷裂界面。
　　最后，制備了短碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7％、納米氧化鋁顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0％、0.5％、1.0％、1.5％和2.0％的TPI形狀記憶聚合物