形狀記憶環(huán)氧聚合物及其復(fù)合材料的典型力學(xué)行為研究.pdf

1、形狀記憶聚合物復(fù)合材料是一種新型的智能材料，相比較于形狀記憶合金和陶瓷，具有輕質(zhì)，價(jià)廉和可回復(fù)變形率較大（最大形狀回復(fù)應(yīng)變率可達(dá)到100％以上）等特點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、智能仿生等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。尤其是為應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)（可展開鉸鏈、充氣管、可變翼的蒙皮結(jié)構(gòu)等等）提供了材料基礎(chǔ)，有望推動(dòng)航空航天飛行器上智能主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展。然而目前的研究中，針對(duì)特定的航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用來說，形狀記憶聚合物及其復(fù)合材

2、料發(fā)展的歷史相對(duì)較短，材料的空間適應(yīng)性還缺乏全面的研究；此外，一些基礎(chǔ)力學(xué)問題，如材料的本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度分析、屈曲行為等，研究者對(duì)它的理論認(rèn)識(shí)還不夠全面、也不深刻，而這些問題嚴(yán)重地限制了形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料在航空、航天領(lǐng)域主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)的深入發(fā)展和應(yīng)用。
　　在這樣的背景下，本文主要圍繞環(huán)氧基形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的空間環(huán)境適應(yīng)性、本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度和屈曲行為等基本力學(xué)性能開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬。本文首先考察了環(huán)

3、氧基形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料在模擬空間環(huán)境條件下的抗原子氧、紫外和熱真空性能，并據(jù)此分析了材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能間的聯(lián)系；隨后完成了碳纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度的研究；最后完成了復(fù)合材料片層在彎曲變形條件下的屈曲行為研究。
　　本文首先完成了形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的耐原子氧、紫外和熱真空這三種空間環(huán)境輻照的研究。結(jié)果表明，在分別經(jīng)歷飛行器在太空飛行一年累積的熱真空、紫外和原子氧輻照劑量之后，形狀記憶聚合

4、物復(fù)合材料的力學(xué)性能、微觀形態(tài)和形狀記憶性能的變化較小，表現(xiàn)出良好的耐空間環(huán)境輻照的特性。經(jīng)過熱真空環(huán)境輻照后，形狀記憶聚合物質(zhì)量損失率始終低于0.7%，強(qiáng)度輕微上升，斷裂延伸率微降，聚合物網(wǎng)絡(luò)中化學(xué)官能團(tuán)的種類沒有發(fā)生變化，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及儲(chǔ)存模量微升，形狀回復(fù)率穩(wěn)定保持在將近100%。復(fù)合材料強(qiáng)度及斷裂延伸率微降。經(jīng)過紫外輻照之后，聚合物質(zhì)量損失率始終低于0.7%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、彈性模量、強(qiáng)度有較大的提高。復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量先

5、微降后上升，形狀回復(fù)率接近100%。經(jīng)過原子氧輻照后，聚合物表層的樹脂部分被原子氧腐蝕，質(zhì)量損失率低于2.7%，屈服強(qiáng)度、彈性模量和斷裂延伸率有大約10%的下降。復(fù)合材料彈性模量依舊保持在9.3GPa，強(qiáng)度在112MPa以上。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和形狀回復(fù)率都幾乎沒有改變。
　　其次，本文基于形狀記憶聚合物在熱力學(xué)循環(huán)過程中玻璃相小應(yīng)變與橡膠相大應(yīng)變共存的現(xiàn)象，借鑒高聚物結(jié)晶學(xué)理論，通過引入凍結(jié)份數(shù)概念，建立了形狀記憶聚合

6、物的三維本構(gòu)方程。在這個(gè)模型中，應(yīng)變被分解成三個(gè)部分：儲(chǔ)存應(yīng)變、內(nèi)能應(yīng)變以及熱應(yīng)變。其中，內(nèi)能應(yīng)變被分解成玻璃相小應(yīng)變和橡膠相大應(yīng)變。玻璃相和橡膠相的體積份數(shù)可通過溫度的改變來互相轉(zhuǎn)化，玻璃相的熱力學(xué)行為通過胡克定律來表征，而橡膠相的超彈性力學(xué)特征通過新型胡克定律來體現(xiàn)。模型的有效性通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。進(jìn)一步，基于形狀記憶聚合物玻璃相-橡膠相兩相理論及復(fù)合材料橋聯(lián)模型，描述了纖維增強(qiáng)體和形狀記憶聚合物基體之間的應(yīng)力應(yīng)變分配，建立了單向碳

7、纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的熱力學(xué)本構(gòu)關(guān)系模型，模型的有效性得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證?；谒⒌哪Ｐ停芯苛瞬煌w維含量和溫度下，凍結(jié)應(yīng)變的儲(chǔ)存和釋放、應(yīng)力的回復(fù)。
　　再次，作為空間可展開結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)的主要部件材料，形狀記憶聚合物復(fù)合材料暴露于長周期溫度劇烈改變的環(huán)境中，因此有必要研究溫度對(duì)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度特性的影響。在本文中，基于復(fù)合材料橋聯(lián)模型、形狀記憶聚合物本構(gòu)關(guān)系、聚合物強(qiáng)度理論和復(fù)合材料層合板理論，提出了一種形

8、狀記憶聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法。通過考慮片層的材料特性和幾何參數(shù)影響，預(yù)測(cè)了纖維含量、溫度等因素對(duì)形狀記憶聚合物復(fù)合材料強(qiáng)度的影響程度。形狀記憶聚合物復(fù)合材料的軸向強(qiáng)度和彈性模量受到溫度的影響較小，但是受纖維含量的影響比較大；橫向強(qiáng)度隨著溫度的升高不斷降低，隨纖維含量的增加而增加的程度較??；溫度對(duì)面內(nèi)剪切強(qiáng)度的影響較小，纖維含量對(duì)面內(nèi)剪切強(qiáng)度的影響較大。
　　最后，形狀記憶聚合物復(fù)合材料通常制作成鉸鏈結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大型空間可展開結(jié)

9、構(gòu)的展開驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，通常是采用鉸鏈結(jié)構(gòu)。為了增加形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)過程中的回復(fù)力，在形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈片層外側(cè)粘結(jié)一層金屬膜。基于這一復(fù)合片層結(jié)構(gòu)的彎曲變形過程，建立了金屬膜\纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料片層的系統(tǒng)應(yīng)變能表達(dá)式。基于最小能量原理，構(gòu)建了片層在彎曲變形條件下的屈曲分析力學(xué)模型，得出了形狀記憶復(fù)合材料在彎曲變形過程中關(guān)鍵參數(shù)的解析表達(dá)式，如片層宏觀應(yīng)變、中性面位置、臨界屈曲曲率、臨界屈曲位置、纖維