形状记忆聚合物本构方程的构建及实验验证

摘要

形状记忆聚合物具有良好的可恢复性、低密度、易加工、形状转变温度不高且可调、恢复行为的可操作性和较好的生物相容性等特性，在医疗、纺织、机械、化工等领域被广泛地应用。由于形状记忆的实质是材料在一定环境条件下的应力应变的响应行为，因此，构建形状记忆聚合物在不同条件下的应力应变响应行为的本构方程，不但可以预测材料的力学性能，优化形状记忆性能，而且对揭示形状记忆聚合物的形状记忆机理，具有十分重要的作用和意义。
　　为了构建形状记忆聚合物应力应变响应行为的本构方程，本文以相转变理论为基础，分别构建了形状记忆聚合物的拉伸本构方程和描述形状记忆循环过程的本构方程。为了验证构建的本构方程，选用形状记忆聚氨酯为实验对象，采用小应变拉伸测试、大应变拉伸测试、应力松弛测试、动态热力学测试、形状记忆循环测试，根据得到的测试结果对本构方程中的参数进行拟合后，利用构建的拉伸本构方程对不同温度下形状记忆聚氨酯的应力应变行为和形状记忆循环过程进行理论预测，并用实验加以验证。具体如下：
　　首先，根据形状记忆聚合物在外力的作用下，使其内部原本被冻结的链段可以打破位垒而运动，从而发生从初始相到激活相的转变的理论(外力使形状记忆聚合物发生相转变的理论)，引入了三元件模型，其中Maxwell模型代表初始相力学行为，用粘性应变速率的变化规律描述相转变过程，黏性应变速率随外力变化的规律近似于链段松弛时间与外力的关系；非线性弹簧(遵循Neo-Hookean定律)表示激活相的应力应变响应关系。构建了一个拉伸过程中基于相转变的非线性粘弹性本构方程。选用形状记忆聚氨酯为实验对象，确立本构方程中的参数后，用构建的本构方程预测了在311.15 K与323.15 K下聚氨酯的拉伸应力-应变曲线，并用实验加以验证。结果显示，在拉伸的初始阶段，理论预测和实验数据符合较好；随着拉伸继续进行(时间增加)，理论预测应力略低于实验结果，但总体的理论预测值和实验结果具有良好的相符性。
　　其次，以温度驱动相转变的理论为基础，假设随着温度的降低，形状记忆聚合物内发生从激活相到冻结相的转变；其中激活相是由链段能够运动的区域所组成，冻结相是由链段被冻结的区域组成，并用冻结份数来描述相转变过程。由于冻结相和激活相并不是以理想的串联或并联的形式连接在一起的，因此引入连接系数k描述两相连接方式。用三元件模型分别描述激活相和冻结相的应力应变响应关系，构建了一个关于形状记忆循环过程的非线性粘弹性本构方程。以形状记忆聚氨酯为实验对象，运用最小二乘法对本构方程中的参数进行数值拟合，借助本构方程对不同预应变下形状记忆聚氨酯的形状记忆循环过程进行理论预测并用实验进行验证，结果显示，理论预测与实验数据具有良好的相符性，该模型不但能够预测形状记忆的循环过程，还能够描述恒应变降温过程中的应力松弛现象和应变自由恢复过程中的蠕变现象。

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第一章 绪论

1.1 形状记忆聚合物

1.2 形状记忆聚合物的应用现状及前景

1.3 形状记忆聚合物本构方程的研究进展

1.4 论文研究的目的及意义

1.5 论文的主要内容及创新点

第二章 形状记忆聚合物拉伸本构方程的构建及实验验证

2.1 引言

2.2 实验方法

2.3 本构方程的构建

2.4 参数确立

2.5 实验验证

2.6 本章小结

第三章 形状记忆循环过程的本构方程构建及实验验证

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 本构方程的构建

3.4 参数确立

3.5 实验验证

3.6 本章小结

第四章 结论与建议

4.1 结论

4.2 建议

参考文献

攻读硕士期间发表的论文情况

致谢