本文關(guān)鍵詞：形狀記憶環(huán)氧聚合物及其復(fù)合材料的典型力學(xué)行為研究

  更多相關(guān)文章： 形狀記憶聚合物 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 本構(gòu)關(guān)系 強(qiáng)度 屈曲行為 輻照

【摘要】：形狀記憶聚合物復(fù)合材料是一種新型的智能材料,相比較于形狀記憶合金和陶瓷,具有輕質(zhì),價(jià)廉和可回復(fù)變形率較大(最大形狀回復(fù)應(yīng)變率可達(dá)到100%以上)等特點(diǎn),在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、智能仿生等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。尤其是為應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)(可展開鉸鏈、充氣管、可變翼的蒙皮結(jié)構(gòu)等等)提供了材料基礎(chǔ),有望推動(dòng)航空航天飛行器上智能主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展。然而目前的研究中,針對(duì)特定的航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用來(lái)說(shuō),形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料發(fā)展的歷史相對(duì)較短,材料的空間適應(yīng)性還缺乏全面的研究;此外,一些基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題,如材料的本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度分析、屈曲行為等,研究者對(duì)它的理論認(rèn)識(shí)還不夠全面、也不深刻,而這些問(wèn)題嚴(yán)重地限制了形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料在航空、航天領(lǐng)域主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)的深入發(fā)展和應(yīng)用。在這樣的背景下,本文主要圍繞環(huán)氧基形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的空間環(huán)境適應(yīng)性、本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度和屈曲行為等基本力學(xué)性能開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬。本文首先考察了環(huán)氧基形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料在模擬空間環(huán)境條件下的抗原子氧、紫外和熱真空性能,并據(jù)此分析了材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能間的聯(lián)系;隨后完成了碳纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度的研究;最后完成了復(fù)合材料片層在彎曲變形條件下的屈曲行為研究。本文首先完成了形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的耐原子氧、紫外和熱真空這三種空間環(huán)境輻照的研究。結(jié)果表明,在分別經(jīng)歷飛行器在太空飛行一年累積的熱真空、紫外和原子氧輻照劑量之后,形狀記憶聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性能、微觀形態(tài)和形狀記憶性能的變化較小,表現(xiàn)出良好的耐空間環(huán)境輻照的特性。經(jīng)過(guò)熱真空環(huán)境輻照后,形狀記憶聚合物質(zhì)量損失率始終低于0.7%,強(qiáng)度輕微上升,斷裂延伸率微降,聚合物網(wǎng)絡(luò)中化學(xué)官能團(tuán)的種類沒有發(fā)生變化,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及儲(chǔ)存模量微升,形狀回復(fù)率穩(wěn)定保持在將近100%。復(fù)合材料強(qiáng)度及斷裂延伸率微降。經(jīng)過(guò)紫外輻照之后,聚合物質(zhì)量損失率始終低于0.7%,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、彈性模量、強(qiáng)度有較大的提高。復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量先微降后上升,形狀回復(fù)率接近100%。經(jīng)過(guò)原子氧輻照后,聚合物表層的樹脂部分被原子氧腐蝕,質(zhì)量損失率低于2.7%,屈服強(qiáng)度、彈性模量和斷裂延伸率有大約10%的下降。復(fù)合材料彈性模量依舊保持在9.3GPa,強(qiáng)度在112MPa以上。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和形狀回復(fù)率都幾乎沒有改變。其次,本文基于形狀記憶聚合物在熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程中玻璃相小應(yīng)變與橡膠相大應(yīng)變共存的現(xiàn)象,借鑒高聚物結(jié)晶學(xué)理論,通過(guò)引入凍結(jié)份數(shù)概念,建立了形狀記憶聚合物的三維本構(gòu)方程。在這個(gè)模型中,應(yīng)變被分解成三個(gè)部分:儲(chǔ)存應(yīng)變、內(nèi)能應(yīng)變以及熱應(yīng)變。其中,內(nèi)能應(yīng)變被分解成玻璃相小應(yīng)變和橡膠相大應(yīng)變。玻璃相和橡膠相的體積份數(shù)可通過(guò)溫度的改變來(lái)互相轉(zhuǎn)化,玻璃相的熱力學(xué)行為通過(guò)胡克定律來(lái)表征,而橡膠相的超彈性力學(xué)特征通過(guò)新型胡克定律來(lái)體現(xiàn)。模型的有效性通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。進(jìn)一步,基于形狀記憶聚合物玻璃相-橡膠相兩相理論及復(fù)合材料橋聯(lián)模型,描述了纖維增強(qiáng)體和形狀記憶聚合物基體之間的應(yīng)力應(yīng)變分配,建立了單向碳纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的熱力學(xué)本構(gòu)關(guān)系模型,模型的有效性得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。基于所建立的模型,研究了不同纖維含量和溫度下,凍結(jié)應(yīng)變的儲(chǔ)存和釋放、應(yīng)力的回復(fù)。再次,作為空間可展開結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)的主要部件材料,形狀記憶聚合物復(fù)合材料暴露于長(zhǎng)周期溫度劇烈改變的環(huán)境中,因此有必要研究溫度對(duì)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度特性的影響。在本文中,基于復(fù)合材料橋聯(lián)模型、形狀記憶聚合物本構(gòu)關(guān)系、聚合物強(qiáng)度理論和復(fù)合材料層合板理論,提出了一種形狀記憶聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法。通過(guò)考慮片層的材料特性和幾何參數(shù)影響,預(yù)測(cè)了纖維含量、溫度等因素對(duì)形狀記憶聚合物復(fù)合材料強(qiáng)度的影響程度。形狀記憶聚合物復(fù)合材料的軸向強(qiáng)度和彈性模量受到溫度的影響較小,但是受纖維含量的影響比較大;橫向強(qiáng)度隨著溫度的升高不斷降低,隨纖維含量的增加而增加的程度較小;溫度對(duì)面內(nèi)剪切強(qiáng)度的影響較小,纖維含量對(duì)面內(nèi)剪切強(qiáng)度的影響較大。最后,形狀記憶聚合物復(fù)合材料通常制作成鉸鏈結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大型空間可展開結(jié)構(gòu)的展開驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中,通常是采用鉸鏈結(jié)構(gòu)。為了增加形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的回復(fù)力,在形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈片層外側(cè)粘結(jié)一層金屬膜�；谶@一復(fù)合片層結(jié)構(gòu)的彎曲變形過(guò)程,建立了金屬膜\纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料片層的系統(tǒng)應(yīng)變能表達(dá)式。基于最小能量原理,構(gòu)建了片層在彎曲變形條件下的屈曲分析力學(xué)模型,得出了形狀記憶復(fù)合材料在彎曲變形過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的解析表達(dá)式,如片層宏觀應(yīng)變、中性面位置、臨界屈曲曲率、臨界屈曲位置、纖維屈曲幅值以及回復(fù)力矩等,給出了關(guān)鍵參數(shù)隨片層的幾何參數(shù)和材料特性的變化規(guī)律。最后對(duì)形狀記憶復(fù)合材料屈曲變形過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬驗(yàn)證,證明了理論的準(zhǔn)確性。
【關(guān)鍵詞】：形狀記憶聚合物 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 本構(gòu)關(guān)系 強(qiáng)度 屈曲行為 輻照
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB332
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-30
• 1.1 研究背景及意義14-15
• 1.2 形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料15-20
• 1.2.1 形狀記憶聚合物15-17
• 1.2.2 形狀記憶聚合物復(fù)合材料及其空間可展開結(jié)構(gòu)17-20
• 1.3 空間環(huán)境對(duì)聚合物及復(fù)合材料性能影響20-23
• 1.3.1 空間環(huán)境因素20-21
• 1.3.2 空間環(huán)境對(duì)聚合物及復(fù)合材料影響的研究進(jìn)展21-23
• 1.4 形狀記憶聚合物及復(fù)合材料力學(xué)問(wèn)題研究進(jìn)展23-29
• 1.4.1 形狀記憶聚合物本構(gòu)關(guān)系23-25
• 1.4.2 形狀記憶聚合物復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系25-26
• 1.4.3 屈曲及后屈曲行為26-29
• １.5 本文主要研究?jī)?nèi)容29-30
• 第2章 環(huán)氧形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料耐受空間輻照特性研究30-58
• 2.1 引言30
• 2.2 試樣制備30-31
• 2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)條件31-32
• 2.4 空間熱真空環(huán)境對(duì)環(huán)氧形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的影響32-40
• 2.4.1 熱真空環(huán)境對(duì)質(zhì)量損失的影響32-33
• 2.4.2 熱真空環(huán)境對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響33-35
• 2.4.3 熱真空環(huán)境對(duì)熱力學(xué)性能的影響35-39
• 2.4.4 熱真空環(huán)境對(duì)形狀記憶效應(yīng)的影響39-40
• 2.5 空間紫外環(huán)境對(duì)環(huán)氧形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的影響40-49
• 2.5.1 紫外環(huán)境對(duì)質(zhì)量損失的影響40-42
• 2.5.2 紫外環(huán)境對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響42-44
• 2.5.3 紫外環(huán)境對(duì)熱力學(xué)性能的影響44-48
• 2.5.4 紫外環(huán)境對(duì)形狀記憶效應(yīng)的影響48-49
• 2.6 空間原子氧環(huán)境對(duì)環(huán)氧形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料影響49-57
• 2.6.1 原子氧環(huán)境對(duì)質(zhì)量損失的影響49-51
• 2.6.2 原子氧環(huán)境對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響51-53
• 2.6.3 原子氧環(huán)境對(duì)熱力學(xué)性能的影響53-56
• 2.6.4 原子氧環(huán)境對(duì)形狀記憶效應(yīng)的影響56-57
• 2.7 本章小結(jié)57-58
• 第3章 形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料熱力學(xué)本構(gòu)關(guān)系研究58-80
• 3.1 引言58
• 3.2 形狀記憶聚合物本構(gòu)關(guān)系58-66
• 3.2.1 形狀記憶聚合物本構(gòu)關(guān)系的建立58-63
• 3.2.3 形狀記憶聚合物本構(gòu)模型驗(yàn)證63-66
• 3.3 形狀記憶聚合物復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系66-79
• 3.3.1 形狀記憶聚合物復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系的建立66-72
• 3.3.2 實(shí)驗(yàn)以及本構(gòu)關(guān)系驗(yàn)證72-76
• 3.3.3 形狀記憶聚合物復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系應(yīng)用76-79
• 3.4 本章小結(jié)79-80
• 第4章 形狀記憶聚合物復(fù)合材料強(qiáng)度分析80-97
• 4.1 引言80
• 4.2 基于橋聯(lián)模型的形狀記憶聚合物復(fù)合材料強(qiáng)度模型80-89
• 4.2.1 聚合物基體強(qiáng)度82-83
• 4.2.2 形狀記憶聚合物強(qiáng)度83-84
• 4.2.3 形狀記憶聚合物復(fù)合材料強(qiáng)度分析84-89
• 4.3 形狀記憶聚合物復(fù)合材料強(qiáng)度模型驗(yàn)證及應(yīng)用89-95
• 4.3.1 參數(shù)確定以及模型驗(yàn)證89-91
• 4.3.2 模型的應(yīng)用91-95
• 4.4 本章小結(jié)95-97
• 第5章 形狀記憶復(fù)合材料片層屈曲行為分析97-111
• 5.1 引言97
• 5.2 纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料的屈曲變形行為97-108
• 5.2.1 屈曲過(guò)程中的三維變形行為97-100
• 5.2.2 體系應(yīng)變能100-102
• 5.2.3 關(guān)鍵參數(shù)的確定102-108
• 5.3 復(fù)合材料片層屈曲理論模型的有限元驗(yàn)證108-109
• 5.4 本章小結(jié)109-111
• 結(jié)論111-114
• 參考文獻(xiàn)114-125
• 攻讀博士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文125-127
• 致謝127-128
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷128

，

本文編號(hào)：668444