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聚合物软材料率温耦合力学性能及其本构研究

廖子陞  
【摘要】:聚合物软物质材料有非常广泛的应用场景,例如飞机、高铁的风挡中抗冲击弹性吸能夹层材料,智能柔性电子材料,软体机器人,医用硅胶及水凝胶材料,以及自然界的生物组织,均属于软物质材料。软物质具有复杂的微观多相几何结构,因而其宏观物理、力学性能多样,确定其宏-微观机理及本构规律仍有相当大的困难。目前构建描述软物质材料复杂力学性能的三维本构模型是国内外学者研究的热点课题。本研究工作旨在通过研究几种典型软材料的力学性能,从宏观的角度进行分析、分类。基于实验结果,构建描述多种力学响应的、涵盖材料温度与应变率耦合以及应力软化效应的本构模型、演化方程,并对其机理进行解释。本研究主要研究成果包括:(1)对透明聚氨酯材料、VHB丙烯酸聚合物材料以及Ecoflex系列有机硅材料进行了一系列的力学实验,包括高、中、低应变率范围及高低温条件下的拉伸断裂实验、循环加卸载实验、应力松弛实验等。基于这些实验分别分析了三种材料力学响应的共性及差异,发现VHB聚合物材料具有典型的粘弹性性能,对应变率、温度的相关性明显,在卸载恢复后可沿相同路径进行加卸载;而Ecofex有机硅则不具明显的粘弹性及温度依赖性,材料初始与再次加载路径不相同,具有应力软化行为;而聚氨酯材料则兼具明显的粘弹性行为及应力软化行为,其本构规律可视为两种行为的叠加。(2)根据系统详细的实验结果,对VHB聚合物材料构建了率温耦合的热粘弹性本构模型,对Ecoflex构建了硬度相关应力软化本构模型。根据将这两种模型,对透明聚氨酯材料进行含时间相关的应力软化以及热粘弹性本构模型的构建,并确定材料参数,以及验证了本构模型的适用性。该模型能描述大部分软材料具备的诸如率温相关粘弹性及应力软化行为,具有广泛适用性。该研究为聚合物软材料提供了详尽的实验数据与较为准确的本构模型描述,为有限元仿真计算提供理论基础,为聚合物软材料的设计生产及应用提供高效经济的研究工具。


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