粉煤灰空心球-聚脲復(fù)合材料粘彈性研究.pdf

1、本文以吸收爆炸應(yīng)力波為目標(biāo)，選用在抗沖擊、抗爆破復(fù)合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域有著很好應(yīng)用前景的聚脲彈性體為基體，選用低密度、低成本的粉煤灰空心球?yàn)樘畛潴w制備了輕質(zhì)粉煤灰空心球/聚脲（FA/PU）復(fù)合材料。利用拉伸試驗(yàn)機(jī)、動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）和超聲技術(shù)等多種手段系統(tǒng)地研究了其粘彈性，包括其不同應(yīng)變率下的拉伸性能、低頻、高頻動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和松弛性能，分析了相關(guān)的影響因素，并合理的選擇力學(xué)模型對(duì)其性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)與表征，為發(fā)展聚脲基復(fù)合材料及其實(shí)用化提供了理

2、論基礎(chǔ)。此外還利用掃描電鏡（SEM）和調(diào)制差示掃描熱分析（MDSC）研究了FA/PU復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。
　　SEM觀察和MDSC分析表明，F(xiàn)A/PU復(fù)合材料中粉煤灰空心球分布均勻，與聚脲界面結(jié)合良好，且使聚脲微相分離結(jié)構(gòu)中的軟段的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度增加。
　　在10-2s-1～10-4s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)FA/PU復(fù)合材料的應(yīng)變率敏感性強(qiáng)于聚脲，分析認(rèn)為是由于聚脲“胞壁”的慣性引起附加的應(yīng)變率效應(yīng)。FA/PU復(fù)合材料的楊氏模量在

3、51～96MPa范圍內(nèi)，比聚脲提高約4％～97%；拉伸強(qiáng)度為34.8～11.3MPa，斷裂延伸率為410%～270%，均低于聚脲。本文利用4階Odgen模型對(duì)聚脲及FA/PU復(fù)合材料的大應(yīng)變拉伸行為進(jìn)行表征，得出了其超彈性本構(gòu)模型參數(shù)，為有限元分析提供前提。
　　利用DMA研究了聚脲及FA/PU復(fù)合材料在變溫條件（-80℃～70℃）下的低頻（1～20Hz）動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。結(jié)果表明：聚脲及FA/PU復(fù)合材料的溫度譜僅出現(xiàn)一個(gè)松弛峰，對(duì)

4、應(yīng)軟段的玻璃化轉(zhuǎn)變過程。隨頻率增加，聚脲及FA/PU復(fù)合材料楊氏儲(chǔ)能模量增加，損耗模量峰值降低，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨logf呈線性增加。復(fù)合材料的楊氏儲(chǔ)能模量和損耗模量均隨粉煤灰空心球體積分?jǐn)?shù)的增加而增加；大粒徑粉煤灰空心球填充聚脲復(fù)合材料的低頻動(dòng)態(tài)力學(xué)性能較好。T>Tg時(shí)，粉煤灰空心球的作用效果更為顯著，相對(duì)儲(chǔ)能和損耗模量均可達(dá)到3.0以上。分析認(rèn)為基體的本征松弛耗能和界面摩擦耗能是FA/PU復(fù)合材料的主要耗能機(jī)制。利用時(shí)-溫轉(zhuǎn)換原理得出

5、了聚脲及FA/PU復(fù)合材料的頻率主曲線，可知在廣闊的頻率范圍內(nèi)，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和損耗模量均隨粉煤灰空心球體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，但低頻下粉煤灰空心球作用顯著，高頻下作用較小。采用二次近似法得出了聚脲及FA/PU復(fù)合材料的連續(xù)松弛時(shí)間譜，可知鏈段運(yùn)動(dòng)是主要松弛模式。粉煤灰空心球的加入對(duì)主松弛時(shí)間和運(yùn)動(dòng)模式影響不大，但隨粉煤灰空心球體積分?jǐn)?shù)增加，長(zhǎng)松弛時(shí)間的運(yùn)動(dòng)單元貢獻(xiàn)加大，且T>Tg時(shí)的表觀活化能增加，均說明粉煤灰空心球的加入限制了聚脲

6、基體中部分鏈段的運(yùn)動(dòng)，使其松弛時(shí)間變長(zhǎng)。
　　聚脲及 FA/PU復(fù)合材料的高頻（1MHz）動(dòng)態(tài)縱向、剪切、體積模量均隨溫度的增加而降低，泊松比隨溫度的增加而增加。粉煤灰空心球的加入使復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)縱向和剪切模量增加，泊松比降低，但對(duì)動(dòng)態(tài)體積模量影響很小。聚脲及FA/PU復(fù)合材料的高頻楊氏儲(chǔ)能模量實(shí)測(cè)值與頻率主曲線預(yù)測(cè)值有較好的一致性，而楊氏損耗模量的實(shí)測(cè)值明顯高于預(yù)測(cè)值。Hashin復(fù)合球單胞模型能較好地預(yù)測(cè)復(fù)合材料的高頻楊氏儲(chǔ)能

7、模量，但預(yù)測(cè)的楊氏損耗模量誤差較大。
　　準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)表明，由于粉煤灰空心球的破碎，F(xiàn)A/PU復(fù)合材料可以將應(yīng)力保持在較低水平下，吸收大量能量。聚脲及FA/PU復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)體積模量和動(dòng)態(tài)模量（1MHz）隨應(yīng)力的增加而近線性增加；低壓力時(shí)，頻率對(duì)復(fù)合材料體積模量影響顯著；壓力增加，頻率的影響減弱。
　　準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)（ε=1%）表明，聚脲及FA/PU復(fù)合材料的松弛速率隨溫度的降低而增加，應(yīng)力保持率則降低。隨粉煤灰空心

8、球體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的初始應(yīng)力增加，但松弛速率也增加，因此復(fù)合材料的應(yīng)力保持率在Vf=10%時(shí)有峰值。粉煤灰空心球粒徑增加，對(duì)松弛速率影響很小，但使初始應(yīng)力降低，因此復(fù)合材料的應(yīng)力保持率降低。利用時(shí)-溫轉(zhuǎn)換原理得出了聚脲及FA/PU復(fù)合材料的松弛主曲線，研究表明，隨著粉煤灰空心球體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料松弛主曲線的時(shí)間跨度減小，松弛模量增加。利用分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)模型表征了聚脲的松弛行為，并將其與Einstein模型和Guth模型相結(jié)合，