可描述硅橡胶弹性的理论模型

摘要

硅橡胶是一类应用广泛的弹性体材料.然而由于其复杂的三维网络结构，难以实现硅橡胶的理性设计.本研究尝试从单分子弹性入手来建立从硅橡胶微观力学性质到宏观性能之间的关联.首先，通过基于原子力显微镜的单分子力谱实验测量了甲基乙烯基硅橡胶中2个主成分（硅氧烷链和碳-碳链）的单链弹性（包含熵弹性和焓弹性）.随后，利用量子力学计算得出上述2种分子链的理论单链弹性.硅氧烷链和碳-碳链的实验曲线均能与理论曲线很好地重合，表明已成功获取了这2种分子链在准无扰环境中的基准弹性.然后，2个主成分的基准弹性同时被整合到传统的橡胶统计学模型中.最终，通过参数可调的新橡胶弹性模型（称作TCQMG模型）描述了3种不同硅橡胶在整个形变范围内的力学性能.此外，借助TCQMG模型模拟了多个交联网络参数对于硅橡胶力学性能的影响，且模拟结果符合实验结果.该模型不仅有助于理解硅橡胶的复杂交联网络结构，还能够为新型硅橡胶的理性设计提供指导.考虑到硅橡胶与其他弹性体在交联网络结构上的相似之处，TCQMG模型有望用于描述这些弹性体的宏观力学性能.