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《天津大学》 2010年
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聚合物新材料的线性与非线性粘弹性力学性能测试与研究

闫磊  
【摘要】:本文分别对两种聚合物新材料进行了一系列的线性与非线性的力学性能研究,并考查了加载条件和环境等因素的影响。在研究中发现,纳米粒子填充的聚合物中的循环软化在室温条件下在相对较短的时间(17小时内)就可完全恢复。当加载速率较小时材料显示出弹性体特性。当加载率较大时材料表现出很强的非线性,并且出现屈服现象。在接下来的循环圈数内,材料出现应力软化,屈服现象消失。在给定较短的间歇时间内,材料即可恢复其初始状态。基于交联消除和粒子基体间交互作用的削弱理论,提出了对这种应力恢复的解释。 本文通过剪切实验对纳米粒子填充PDMS和无粒子填充PDMS进行了研究。相比于纯PDMS基体材料的弹性体特性,加载时纳米复合材料可以观察到显著非线性行为。并在不同温度(–40°C到60°C)和不同应变率下(10–4到10–1 s–1)对复合材料材料进行了单拉实验。利用时温等效原理对由于纳米粒子填充所引入的温度率相关特性进行了描述。另外,通过在-20°C到80°C范围内进行间歇循环加载实验,考察了温度对于Mullins效应的恢复的影响。 本文提出了利用线粘弹性理论分析密封剂材料在热变形下的应力分析框架。在假设材料的热应变和温度变化成比例关系的前提下,对其名义应力状态进行了预测。将分析方法用来对Dow Corning公司具有代表性的两种玻璃用密封剂,一为传统的弹性体材料,另一种为聚合物新材料——纳米粒子填充的交联热熔胶,在一天的温度变化下的应力状态。两种材料的热应力响应在粘弹性力学分析中进行了比较。本文在给定的温度循环条件下提供了材料的屈服边界。 在本文中,对另一种聚合物新材料——全磺酸perfluorosulfonic acid(PFSA)质子交换膜材料,利用实验室自主开发的多夹具的松弛实验设备,在潮湿环境和浸泡条件下的线性和非线性粘弹性响应进行了测试。在30-90±C,从1%的应变到20%应变,对质子交换膜进行了松弛实验。在文中,将浸泡实验与干燥条件和不同湿度空气环境的力学实验结果进行了比较。另外还在70°C的浸泡环境中,对薄膜进行了多种应变水平下的循环试验。利用非线性Schapery单轴积分模型,准确的描述了材料在大变形下的非线性行为。通过在较低的应变条件的实验结果确定的材料的非线性参数成功的描述了在大应变循环下的行为。将利用复杂历史的加载实验对模型进行验证,发现模型预测与实验结果基本一致。
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