基于拉伸速率和温度影响的形状记忆聚合物率相关性研究

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形状记忆聚合物是一种温度适应范围广、生物相容性好的功能记忆性材料,其在医疗、生物和航空航天等领域具有广泛应用。SMP作为一种新型高分子复合智能材料,具有较强的温度效性和应变率效性,但SMP材料与温度和应变率相关的本构模型目前研究较少,且多围绕高速拉伸和冲击试验,与低应变率拉伸相关的研究国内外鲜见报道。本文围绕SMP材料在低应变率下的动态力学性能展开了相关试验,并进行了理论研究和数值模型与实验进行对照。具体研究内容如下:(1)针对SMP材料玻璃化转变温度附近力学性能波动较大,合理确定了实验的温度范围为80℃-100℃,应变率范围为0.2mm/min-2mm/min。通过单轴拉伸试验,系统地研究了SMP材料拉伸力学行为的温度效应和应变率效应。不同温度和不同应变率下SMP材料的应力-应变曲线均充分表现出粘弹性特征,为深入研究SMP材料的率相关性提供了重要实验依据。(2)在现有理论成果的基础上,参考实验结果提出一个与应变率相关的松弛时间模型,嵌入在经典三元件模型中,能够较为准确地描述SMP材料在大应变率范围内(1×10-3s-1-1×104s-1)温度相关的力学行为。通过拟合结果与实验曲线对比发现,该模型在低应变率情况下与实验结果较为吻合,同时为高应变率下SMP的力学行为预测提供了理论依据。(3)总结了在Abaqus软件中使用Prony级数形式定义粘弹性参数的方法,并数值模拟了SMP材料在低应变下单轴拉伸的力学性能,通过与实验结果对比确定了模拟结果的可靠性。通过模拟和理论预测了SMP材料在高应变率下的材料力学性能,结果显示在高应变率下SMP材料表现出较为明显的线弹性趋势。通过上述研究,对SMP材料的温度效应和应变率效应的规律性有了清楚的认识,对于SMP应用在结构设计研究中有重大意义。
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