形狀記憶聚合物本構(gòu)模型及TPI復合材料性能研究.pdf

1、形狀記憶聚合物（shape memory polymers，SMPs）是指具有形狀記憶效應，在外部激勵條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)大變形回復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、強回復性能和優(yōu)異的加工性能等優(yōu)勢。在最近的30年里，形狀記憶聚合物成為了學術(shù)界和工業(yè)界研究重點之一，并在紡織、醫(yī)學、航空、航天、微電子等領(lǐng)域取得了廣泛的應用。
　　本文針對形狀記憶聚合物熱力學

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TPI形狀記憶聚合物復合材料和短切碳纖維/納米顆粒/TPI形狀記憶聚合物混雜復合材料，并對其力學性能和形狀記憶性能進行了測試與分析。
　　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粘彈性形狀記憶聚合物本構(gòu)模型。這

3、個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和力學性質(zhì)的變化過程，并且預估了不可恢復變形的應變值。這種新的熱力學粘彈性模型由機械和熱力學兩部分組成。給出了一種新型的凍結(jié)相轉(zhuǎn)變方程，這個方程考慮了相變延遲時間和降溫/升溫速率對相變轉(zhuǎn)換的影響?；趦鼋Y(jié)相轉(zhuǎn)變方程，導出了一種新型轉(zhuǎn)換方程用來描述形狀記憶聚合物熱力學膨脹系數(shù)的變化。最后，利用該新型熱力學粘彈性本構(gòu)模型估算了典型的熱力學循環(huán)試驗過程。通過計算結(jié)果和試驗結(jié)果的對比，對新型

4、熱力學粘彈性本構(gòu)模型的合理性和準確性進行了驗證。
　　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、形狀記憶試驗、力學拉伸試驗和熱力學循環(huán)試驗對TPI形狀記憶聚合物的熱力學性能和形狀記憶特性進行分析。
　　再次，研發(fā)了一種新型的短切碳纖維增強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)量分數(shù)分別為5％，7％，9％，11％和13％的TPI形狀記憶聚合物復合

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