本文關(guān)鍵詞：形狀記憶聚合物本構(gòu)方程的構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

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【摘要】：形狀記憶聚合物具有良好的可恢復(fù)性、低密度、易加工、形狀轉(zhuǎn)變溫度不高且可調(diào)、恢復(fù)行為的可操作性和較好的生物相容性等特性,在醫(yī)療、紡織、機(jī)械、化工等領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。由于形狀記憶的實(shí)質(zhì)是材料在一定環(huán)境條件下的應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)行為,因此,構(gòu)建形狀記憶聚合物在不同條件下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)行為的本構(gòu)方程,不但可以預(yù)測(cè)材料的力學(xué)性能,優(yōu)化形狀記憶性能,而且對(duì)揭示形狀記憶聚合物的形狀記憶機(jī)理,具有十分重要的作用和意義。為了構(gòu)建形狀記憶聚合物應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)行為的本構(gòu)方程,本文以相轉(zhuǎn)變理論為基礎(chǔ),分別構(gòu)建了形狀記憶聚合物的拉伸本構(gòu)方程和描述形狀記憶循環(huán)過程的本構(gòu)方程。為了驗(yàn)證構(gòu)建的本構(gòu)方程,選用形狀記憶聚氨酯為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,采用小應(yīng)變拉伸測(cè)試、大應(yīng)變拉伸測(cè)試、應(yīng)力松弛測(cè)試、動(dòng)態(tài)熱力學(xué)測(cè)試、形狀記憶循環(huán)測(cè)試,根據(jù)得到的測(cè)試結(jié)果對(duì)本構(gòu)方程中的參數(shù)進(jìn)行擬合后,利用構(gòu)建的拉伸本構(gòu)方程對(duì)不同溫度下形狀記憶聚氨酯的應(yīng)力應(yīng)變行為和形狀記憶循環(huán)過程進(jìn)行理論預(yù)測(cè),并用實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。具體如下:首先,根據(jù)形狀記憶聚合物在外力的作用下,使其內(nèi)部原本被凍結(jié)的鏈段可以打破位壘而運(yùn)動(dòng),從而發(fā)生從初始相到激活相的轉(zhuǎn)變的理論(外力使形狀記憶聚合物發(fā)生相轉(zhuǎn)變的理論),引入了三元件模型,其中Maxwell模型代表初始相力學(xué)行為,用粘性應(yīng)變速率的變化規(guī)律描述相轉(zhuǎn)變過程,黏性應(yīng)變速率隨外力變化的規(guī)律近似于鏈段松弛時(shí)間與外力的關(guān)系;非線性彈簧(遵循Neo-Hookean定律)表示激活相的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系。構(gòu)建了一個(gè)拉伸過程中基于相轉(zhuǎn)變的非線性粘彈性本構(gòu)方程。選用形狀記憶聚氨酯為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,確立本構(gòu)方程中的參數(shù)后,用構(gòu)建的本構(gòu)方程預(yù)測(cè)了在311.15 K與323.15 K下聚氨酯的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并用實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。結(jié)果顯示,在拉伸的初始階段,理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好;隨著拉伸繼續(xù)進(jìn)行(時(shí)間增加),理論預(yù)測(cè)應(yīng)力略低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但總體的理論預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的相符性。其次,以溫度驅(qū)動(dòng)相轉(zhuǎn)變的理論為基礎(chǔ),假設(shè)隨著溫度的降低,形狀記憶聚合物內(nèi)發(fā)生從激活相到凍結(jié)相的轉(zhuǎn)變;其中激活相是由鏈段能夠運(yùn)動(dòng)的區(qū)域所組成,凍結(jié)相是由鏈段被凍結(jié)的區(qū)域組成,并用凍結(jié)份數(shù)來描述相轉(zhuǎn)變過程。由于凍結(jié)相和激活相并不是以理想的串聯(lián)或并聯(lián)的形式連接在一起的,因此引入連接系數(shù)k描述兩相連接方式。用三元件模型分別描述激活相和凍結(jié)相的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系,構(gòu)建了一個(gè)關(guān)于形狀記憶循環(huán)過程的非線性粘彈性本構(gòu)方程。以形狀記憶聚氨酯為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,運(yùn)用最小二乘法對(duì)本構(gòu)方程中的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值擬合,借助本構(gòu)方程對(duì)不同預(yù)應(yīng)變下形狀記憶聚氨酯的形狀記憶循環(huán)過程進(jìn)行理論預(yù)測(cè)并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果顯示,理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的相符性,該模型不但能夠預(yù)測(cè)形狀記憶的循環(huán)過程,還能夠描述恒應(yīng)變降溫過程中的應(yīng)力松弛現(xiàn)象和應(yīng)變自由恢復(fù)過程中的蠕變現(xiàn)象。
【關(guān)鍵詞】：形狀記憶聚合物 本構(gòu)方程 相轉(zhuǎn)變 三元件模型 應(yīng)力應(yīng)變 凍結(jié)份數(shù)
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O631
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-24
• 1.1 形狀記憶聚合物10-14
• 1.1.1 形狀記憶聚合物的驅(qū)動(dòng)方式11-12
• 1.1.2 形狀記憶聚合物形變恢復(fù)機(jī)理12-14
• 1.2 形狀記憶聚合物的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景14-17
• 1.2.1 形狀記憶聚合物在紡織方面的應(yīng)用14
• 1.2.2 形狀記憶聚合物在生物學(xué)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用14-15
• 1.2.3 形狀記憶聚合物在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用15-16
• 1.2.4 形狀記憶聚合物在智能模具中的應(yīng)用16-17
• 1.3 形狀記憶聚合物本構(gòu)方程的研究進(jìn)展17-22
• 1.4 論文研究的目的及意義22-23
• 1.5 論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)23-24
• 1.5.1 論文的主要內(nèi)容23
• 1.5.2 論文的創(chuàng)新點(diǎn)23-24
• 第二章 形狀記憶聚合物拉伸本構(gòu)方程的構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證24-37
• 2.1 引言24-25
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法25
• 2.3 本構(gòu)方程的構(gòu)建25-30
• 2.3.1 本構(gòu)模型的構(gòu)建26-29
• 2.3.2 參數(shù)的演變方程29-30
• 2.4 參數(shù)確立30-34
• 2.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證34-36
• 2.6 本章小結(jié)36-37
• 第三章 形狀記憶循環(huán)過程的本構(gòu)方程構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證37-52
• 3.1 引言37-38
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方法38
• 3.3 本構(gòu)方程的構(gòu)建38-44
• 3.3.1 本構(gòu)模型的構(gòu)建40-42
• 3.3.2 參數(shù)的演變方程42-44
• 3.4 參數(shù)確立44-48
• 3.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證48-51
• 3.6 本章小結(jié)51-52
• 第四章 結(jié)論與建議52-54
• 4.1 結(jié)論52-53
• 4.2 建議53-54
• 參考文獻(xiàn)54-59
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文情況59-60
• 致謝60

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本文編號(hào)：1092793