【摘要】：形狀記憶聚合物因其廣泛的應(yīng)用前景成為近三十年來最重要、最有價值的新型功能、智能材料之一。其中,熱致形狀記憶聚合物以其種類繁多、激勵形式簡單、可回復(fù)變形大以及響應(yīng)迅速等優(yōu)點吸引了大量的研究。建立合理準(zhǔn)確、行之有效的熱力學(xué)本構(gòu)方程對于實現(xiàn)該類材料廣泛、可靠應(yīng)用至關(guān)重要。目前該類材料的熱力學(xué)本構(gòu)模型尚處于初步研究探索階段,亟需廣泛而深入的研究。本文針對熱致形狀記憶聚合物采用分?jǐn)?shù)階粘彈性的方法建立其本構(gòu)模型,主要內(nèi)容包括:首先,建立描述熱致形狀記憶聚合物粘彈性行為的分?jǐn)?shù)階模型,刻畫其靜態(tài)粘彈性行為如寬闊時域范圍內(nèi)的松弛模量和蠕變?nèi)崃?并與傳統(tǒng)整數(shù)階粘彈性模型、指數(shù)擴展函數(shù)Kohlrausch Williams Watts模型以及Cole-Cole模型進行比較。另外,用分?jǐn)?shù)階粘彈性模型描述動態(tài)粘彈性行為如寬闊頻域范圍內(nèi)的儲能模量、損耗因子,同時,也與傳統(tǒng)整數(shù)階粘彈性模型進行了比較。其次,針對分?jǐn)?shù)階蠕變?nèi)崃炕蛩沙谀Ａ亢瘮?shù)中出現(xiàn)的Mittag-Leffler函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)計算復(fù)雜等特性而造成的擬合困難,引入基于Powell算法的直接搜索方法,給出參數(shù)初值的確定方法并提出擬合算法的加速策略,解決含有該函數(shù)的蠕變?nèi)崃炕蛘咚沙谀Ａ亢瘮?shù)的參數(shù)最小二乘擬合問題。同時,針對Mittag-Leffler函數(shù)計算耗時的缺點,給出其快速計算方法,并探討了這種計算方法對擬合、數(shù)值積分、微分方程數(shù)值求解和積分方程數(shù)值求解等問題求解效率的影響。再次,通過引入時溫等效原理(TTSP),并且針對溫度高于或者低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別運用Williams-Landel-Ferry方程和Arrhenius-Type方程計算TTSP中的平移因子,建立單松弛分?jǐn)?shù)階粘彈性模型用于非晶態(tài)形狀記憶聚合物的溫度相關(guān)自由回復(fù)行為的預(yù)測。同時,研究了材料參數(shù)、升溫速率以及回復(fù)溫度對形狀記憶聚合物自由回復(fù)過程的影響。最后,建立更一般的多松弛分?jǐn)?shù)階熱粘彈性模型用于模擬和預(yù)測丙烯酸酯基網(wǎng)狀聚合物、聚氨酯和全氟磺酸離子交聯(lián)聚合物等多種形狀記憶聚合物材料溫度相關(guān)的自由回復(fù)過程,并實現(xiàn)對形狀記憶聚合物三重和多重記憶效應(yīng)的預(yù)測。同時,通過驗證交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的形狀記憶聚合物以及玻璃微球增強的形狀記憶聚合物基復(fù)合泡沫材料自由回復(fù)過程的模擬,證實了該模型對于這種復(fù)合材料自由回復(fù)模擬的有效性。
【圖文】：

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文3圖1.2 熱致形狀記憶聚合物結(jié)構(gòu)劃分1.2.2 形狀記憶聚合物的記憶機理盡管因合成方式造成的形態(tài)學(xué)方面的不同，以及激勵形式不同，，但形狀記憶聚合物的形狀記憶效應(yīng)的最基本機理是雙段（雙相）機制[9]。一種是彈性段，在應(yīng)用過程中始終是彈性的，另一種是可逆段，在適當(dāng)?shù)耐饨缂钕滤梢赞D(zhuǎn)變。圖1.3[9]說明了熱致形狀記憶聚合物的記憶機理（深顏色代表低溫，淺顏色代表高溫）。在低溫下（圖1.3a），彈性段和可逆段較硬。當(dāng)升溫超過轉(zhuǎn)變溫度時，可逆段變軟，在外載荷下容易變形（圖1.3b），相應(yīng)地，彈性段也在外載荷下被拉長了并且彈性能儲存起來。降低溫度使得可逆段硬化，降溫同時約束固定住其變形態(tài)（臨時態(tài)）（圖1.3c）

基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)的熱致形狀記憶聚合物熱力學(xué)本構(gòu)研究4圖1.3 熱致形狀記憶聚合物的記憶機理[9]1.3 形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的應(yīng)用近些年來，為了克服形狀記憶聚合物剛度小強度低、恢復(fù)力小等缺點，通常會在形狀記憶聚合物中加入顆粒或者纖維等增強相制成形狀記憶聚合物復(fù)合材料(Shape Memory PolymerComposites, SMPC)[4]。形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。形狀記憶聚合物最早出現(xiàn)并投入到工程應(yīng)用可以追溯到 20 世紀(jì) 60 年代，當(dāng)時交聯(lián)聚乙烯就已經(jīng)應(yīng)用于熱收縮。后來在生物、航空航天、智能紡織材料以及運輸產(chǎn)業(yè)等現(xiàn)代應(yīng)用中也逐漸突顯出新的前景。形狀記憶聚合物與形狀記憶合金有一些類似的宏觀行為特征，但它們能夠投入到不同的、種類更多的應(yīng)用當(dāng)中。這些應(yīng)用潛能尤為吸引人，因為它們能夠利用許多聚合物現(xiàn)成的加工技術(shù)，例如多種多樣的擠壓和模塑加工，這就使得形狀記憶聚合物比形狀記憶合金加工便宜的多。而且形狀記憶聚合物能通過聚合物化學(xué)特制而獲得各式各樣的宏觀力學(xué)和物理性能。合成設(shè)計還能賦予它們功能多樣性�？赡茏钗说牡胤竭�是其生物可降解性，這樣便能用于可植入的生物應(yīng)用。以下通過例子簡單介紹對形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的應(yīng)用。圖 1.4 所示為冷勁松等[30,31]開發(fā)的一種變彎度機翼。它包括柔性形狀記憶聚合物蒙皮、金屬片和蜂窩結(jié)構(gòu)。金屬板材用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉸鏈，以保證在改變機翼彎度時表面光滑。蜂窩能承受一個方向的高應(yīng)變
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB381

【參考文獻】

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本文編號：2636043