形狀記憶聚合物復(fù)合材料折疊變形機(jī)理的研究.pdf

1、形狀記憶聚合物復(fù)合材料(英文名為Elastic Memory Composite,簡稱EMC)是由連續(xù)纖維增強(qiáng)體和具有形狀記憶功能的聚合物基體復(fù)合而成。它既具有傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的高結(jié)構(gòu)性能,又擁有形狀記憶效應(yīng)和高折疊變形率,因此在未來空間展開結(jié)構(gòu)中具有極大的應(yīng)用潛力。實(shí)驗(yàn)證明,在EMC基體玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)之上,聚合物基體處于柔軟的高彈態(tài),這時(shí)可通過受壓區(qū)纖維微屈曲實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)較大折疊變形率。因此,局部微屈曲是該類功能材料的

2、主要變形機(jī)理。
　　 本文首先對單向EMC層合板折疊過程微屈曲模式進(jìn)行了分析。單向EMC層合板在Tg溫度以上緩慢地進(jìn)行折疊變形時(shí),壓縮區(qū)的纖維有可能發(fā)生面內(nèi)或面外微屈曲。對EMC層合板任意彎曲狀態(tài)下選取一有效微屈曲單元,分別計(jì)算纖維發(fā)生面內(nèi)與面外微屈曲的單元體所儲存的應(yīng)變能。通過比較兩應(yīng)變能發(fā)現(xiàn),其差異僅由基體剪切模量與基體拉壓模量決定,面內(nèi)、外微屈曲分別對應(yīng)基體的剪切模量與拉壓模量。由于材料的剪切模量小于拉壓模量,依據(jù)能量最低

3、原理,單向EMC層合板在Tg溫度以上折疊變形時(shí)臨界屈曲最有可能發(fā)生面內(nèi)微屈曲模式。
　　 其次,由于受壓區(qū)纖維微屈曲導(dǎo)致層合板中性層位置偏離幾何中心,將中性層位置及微屈曲半波長表達(dá)式代入彎曲層合板的總變形能表達(dá)式,即可獲得彎曲層合板實(shí)際儲存的總變形能。依據(jù)虛功原理,通過總變形能表達(dá)式可推導(dǎo)出彎矩與曲率之間的非線性關(guān)系式,其中微屈曲之前的小曲率變形階段可用傳統(tǒng)線彈性單向板彎曲理論分析。并將所得線性與非線性彎曲行為理論結(jié)果與單向EM

4、C層合板在熱激活溫度下的四點(diǎn)純彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。
　　 再次,以曲率和板厚為變量,定量研究了單向EMC層合板在熱激活溫度下進(jìn)行彎曲時(shí)的線性與非線性彎曲公式的幾何適用條件。文中提出了一個(gè)新的求解纖維臨界微屈曲的二維(2D)簡化模型,并結(jié)合Timoshenko梁屈曲理論,求出了熱激活溫度下EMC層合板中纖維的臨界微屈曲應(yīng)變。由層合板壓縮底邊的名義應(yīng)變剛好等于纖維的臨界微屈曲應(yīng)變,進(jìn)一步求出了臨界微屈曲曲率數(shù)學(xué)表達(dá)式。單向EMC

5、層合板從彎曲的開始到臨界曲率之間適合線彈性板的彎曲理論,而從臨界曲率直到材料破壞的絕大部分彎曲過程適合本論文提出的非線性彎曲理論。
　　 最后,研究了單向EMC層合板在熱激活溫度下彎曲時(shí)的可能破壞模式。當(dāng)EMC層合板(或圓柱梁)在無約束條件下彎曲時(shí),在較小的彎曲程度下便出現(xiàn)折曲(kinking)破壞現(xiàn)象。當(dāng)用適當(dāng)?shù)睦炝κ笶MC層合板圍繞圓柱體彎曲時(shí),結(jié)果產(chǎn)生無折曲現(xiàn)象的一致微屈曲,在此基礎(chǔ)上,分別對拉、壓表面的纖維及軟基體的破

6、壞極限進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明:當(dāng)名義彎曲應(yīng)變超過5％時(shí),增強(qiáng)纖維仍處于彈性和無損傷狀態(tài),只可能基體因剪應(yīng)變過大而導(dǎo)致壓縮表面的纖維/基體界面破壞,相關(guān)結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)報(bào)道基本相符。同時(shí)研究結(jié)果還表明:適當(dāng)?shù)卦黾踊w含量能夠有效降低軟基體的最大剪應(yīng)變,從而能使EMC板實(shí)現(xiàn)更大的折疊變形。另外,對彎曲條件下二維編織EMC板的微觀變形機(jī)理進(jìn)行了初步分析。
　　 本文所得結(jié)果為準(zhǔn)確預(yù)測EMC層合板的折疊變形行為提供了理論依據(jù),對促進(jìn)其