形狀記憶聚合物本構方程的構建及實驗驗證.pdf

1、形狀記憶聚合物具有良好的可恢復性、低密度、易加工、形狀轉變溫度不高且可調、恢復行為的可操作性和較好的生物相容性等特性，在醫(yī)療、紡織、機械、化工等領域被廣泛地應用。由于形狀記憶的實質是材料在一定環(huán)境條件下的應力應變的響應行為，因此，構建形狀記憶聚合物在不同條件下的應力應變響應行為的本構方程，不但可以預測材料的力學性能，優(yōu)化形狀記憶性能，而且對揭示形狀記憶聚合物的形狀記憶機理，具有十分重要的作用和意義。
　　為了構建形狀記憶聚合物應力

2、應變響應行為的本構方程，本文以相轉變理論為基礎，分別構建了形狀記憶聚合物的拉伸本構方程和描述形狀記憶循環(huán)過程的本構方程。為了驗證構建的本構方程，選用形狀記憶聚氨酯為實驗對象，采用小應變拉伸測試、大應變拉伸測試、應力松弛測試、動態(tài)熱力學測試、形狀記憶循環(huán)測試，根據(jù)得到的測試結果對本構方程中的參數(shù)進行擬合后，利用構建的拉伸本構方程對不同溫度下形狀記憶聚氨酯的應力應變行為和形狀記憶循環(huán)過程進行理論預測，并用實驗加以驗證。具體如下：
　　

3、首先，根據(jù)形狀記憶聚合物在外力的作用下，使其內部原本被凍結的鏈段可以打破位壘而運動，從而發(fā)生從初始相到激活相的轉變的理論(外力使形狀記憶聚合物發(fā)生相轉變的理論)，引入了三元件模型，其中Maxwell模型代表初始相力學行為，用粘性應變速率的變化規(guī)律描述相轉變過程，黏性應變速率隨外力變化的規(guī)律近似于鏈段松弛時間與外力的關系；非線性彈簧(遵循Neo-Hookean定律)表示激活相的應力應變響應關系。構建了一個拉伸過程中基于相轉變的非線性粘彈性

4、本構方程。選用形狀記憶聚氨酯為實驗對象，確立本構方程中的參數(shù)后，用構建的本構方程預測了在311.15 K與323.15 K下聚氨酯的拉伸應力-應變曲線，并用實驗加以驗證。結果顯示，在拉伸的初始階段，理論預測和實驗數(shù)據(jù)符合較好；隨著拉伸繼續(xù)進行(時間增加)，理論預測應力略低于實驗結果，但總體的理論預測值和實驗結果具有良好的相符性。
　　其次，以溫度驅動相轉變的理論為基礎，假設隨著溫度的降低，形狀記憶聚合物內發(fā)生從激活相到凍結相的轉變

5、；其中激活相是由鏈段能夠運動的區(qū)域所組成，凍結相是由鏈段被凍結的區(qū)域組成，并用凍結份數(shù)來描述相轉變過程。由于凍結相和激活相并不是以理想的串聯(lián)或并聯(lián)的形式連接在一起的，因此引入連接系數(shù)k描述兩相連接方式。用三元件模型分別描述激活相和凍結相的應力應變響應關系，構建了一個關于形狀記憶循環(huán)過程的非線性粘彈性本構方程。以形狀記憶聚氨酯為實驗對象，運用最小二乘法對本構方程中的參數(shù)進行數(shù)值擬合，借助本構方程對不同預應變下形狀記憶聚氨酯的形狀記憶循環(huán)過