形狀記憶環(huán)氧聚合物及其復合材料的典型力學行為研究.pdf

1、形狀記憶聚合物復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，價廉和可回復變形率較大（最大形狀回復應變率可達到100％以上）等特點，在航空航天、生物醫(yī)學、智能仿生等領域具有廣泛的應用前景。尤其是為應用于航空、航天領域的主動變形結構（可展開鉸鏈、充氣管、可變翼的蒙皮結構等等）提供了材料基礎，有望推動航空航天飛行器上智能主動變形結構的迅速發(fā)展。然而目前的研究中，針對特定的航空、航天領域的應用來說，形狀記憶聚合物及其復合材

2、料發(fā)展的歷史相對較短，材料的空間適應性還缺乏全面的研究；此外，一些基礎力學問題，如材料的本構關系、強度分析、屈曲行為等，研究者對它的理論認識還不夠全面、也不深刻，而這些問題嚴重地限制了形狀記憶聚合物及其復合材料在航空、航天領域主動變形結構的深入發(fā)展和應用。
　　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合材料的空間環(huán)境適應性、本構關系、強度和屈曲行為等基本力學性能開展相關的實驗研究、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，并據此分析了材料的微觀結構與宏觀性能間的聯(lián)系；隨后完成了碳纖維增強形狀記憶聚合物復合材料的本構關系和強度的研究；最后完成了復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。結果表明，在分別經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、物復合材料的力學性能、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。經過熱真空環(huán)境輻照后，形狀記憶聚合物質量損失率始終低于0.7%，強度輕微上升，斷裂延伸率微降，聚合物網絡中化學官能團的種類沒有發(fā)生變化，玻璃化轉變溫度以及儲存模量微升，形狀回復率穩(wěn)定保持在將近100%。復合材料強度及斷裂延伸率微降。經過紫外輻照之后，聚合物質量損失率始終低于0.7%，玻璃化轉變溫度、彈性模量、強度有較大的提高。復合材料的強度和模量先

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

6、物的三維本構方程。在這個模型中，應變被分解成三個部分：儲存應變、內能應變以及熱應變。其中，內能應變被分解成玻璃相小應變和橡膠相大應變。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化，玻璃相的熱力學行為通過胡克定律來表征，而橡膠相的超彈性力學特征通過新型胡克定律來體現(xiàn)。模型的有效性通過實驗進行了驗證。進一步，基于形狀記憶聚合物玻璃相-橡膠相兩相理論及復合材料橋聯(lián)模型，描述了纖維增強體和形狀記憶聚合物基體之間的應力應變分配，建立了單向碳

7、纖維增強形狀記憶聚合物復合材料的熱力學本構關系模型，模型的有效性得到了實驗的驗證?；谒⒌哪Ｐ停芯苛瞬煌w維含量和溫度下，凍結應變的儲存和釋放、應力的回復。
　　再次，作為空間可展開結構/機構的主要部件材料，形狀記憶聚合物復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形狀記憶聚合物復合材料的強度特性的影響。在本文中，基于復合材料橋聯(lián)模型、形狀記憶聚合物本構關系、聚合物強度理論和復合材料層合板理論，提出了一種形

8、狀記憶聚合物復合材料的強度預測方法。通過考慮片層的材料特性和幾何參數(shù)影響，預測了纖維含量、溫度等因素對形狀記憶聚合物復合材料強度的影響程度。形狀記憶聚合物復合材料的軸向強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小；溫度對面內剪切強度的影響較小，纖維含量對面內剪切強度的影響較大。
　　最后，形狀記憶聚合物復合材料通常制作成鉸鏈結構應用于大型空間可展開結

9、構的展開驅動機構中，通常是采用鉸鏈結構。為了增加形狀記憶聚合物復合材料鉸鏈結構在驅動過程中的回復力，在形狀記憶聚合物復合材料鉸鏈片層外側粘結一層金屬膜。基于這一復合片層結構的彎曲變形過程，建立了金屬膜\纖維增強形狀記憶聚合物復合材料片層的系統(tǒng)應變能表達式?；谧钚∧芰吭恚瑯嫿似瑢釉趶澢冃螚l件下的屈曲分析力學模型，得出了形狀記憶復合材料在彎曲變形過程中關鍵參數(shù)的解析表達式，如片層宏觀應變、中性面位置、臨界屈曲曲率、臨界屈曲位置、纖維