复合材料,特别是聚合物基复合材料在热环境下将表现出明显的粘弹性性能。复合材料在航空航天等高科技工业中的应用越来越广泛,而温度变化时热膨胀将产生热应力,复合材料的粘弹性及热力学性能越来越受到重视。复合材料的超轻质化、多功能化及智能化设计要求对复合材料进行细观力学研究及多尺度分析,而通过实验确定粘弹性复合材料的热力学性能(特别是复合材料的各相材料属性随温度变化时)相当困难,所以对复合材料的热粘弹性理论进行研究变得十分必要。 高聚物基复合材料的一个显著的弱点是其对环境(尤其是对湿、热环境)的变化敏感。在高温、高湿度的环境中,复合材料的强度明显下降。复合材料的湿及湿热耦合分析具有重要意义。 纳米科技已成为21世纪科技界最具影响力的领域之一。物质在纳米尺度上具有特殊的效应(如量子效应、微尺度效应等)表现出许多特异性能。在纳米尺度上研究物质的运动规律、运动特点,揭示和掌握物质纳观行为规律和相互作用以进行材料设计、器件及工程设计成为研究热点。 本文工作包括复合材料湿热粘弹性性能分析和纳米物质固体表面运动模拟两部分相对独立的内容。第一部分研究了复合材料热、湿粘弹性多尺度分析方法,并在此基础上研究了变温粘弹性复合材料(复合材料性质随温度发生变化)热、湿(及其耦合)的粘弹性一般理论及多尺度分析方法;第二部分以烷烃为例,在纳米尺度上对气、液、固三种物质形态的烷烃在两块作剪切运动板之间的运动进行分子动力学模拟分析。研究工作包括: 1.基于均匀化理论研究了复合材料宏观热粘弹性松弛模量,以及复合材料等效热应力松弛规律。引入了等效粘弹性热应力系数张量和等效时变热膨胀系数等新概念,建立了含温度变化的复合材料热粘弹性本构关系。研究了复合材料热粘弹性的多尺度数值分析方法,给出了预测复合材料热粘弹性力学性能的有限元数值实现步骤。单向纤维复合材料的一维热变形分析数据显示了热应变对时间的依赖关系。用有限元软件ANSYS对单向纤维增强复合材料进行了分析,证明了本文提供方法的有效性和准确性。 2.研究了复合材料变温粘弹性分析的一般理论,给出了基于均匀化理论的复合材料变复合材料湿热粘弹性理论及纳米尺度物质在固体表面运动模拟 温粘弹性分析的多尺度方法。引入了终态温度等效粘弹性热应力系数张量和等效时 变热膨胀系数的概念,建立了含连续温度变化的复合材料热粘弹性本构关系,并给 出了基于均匀化理论的复合材料终态温度等效粘弹性松弛模量、终态温度等效热应 力松弛系数和终态温度等效时变热膨胀系数的预测方法。3.在复合材料变温粘弹性理论基础上,研究了具有热流变简单材料性质的单向纤维复 合材料在连续温度变化情况下的粘弹性本构关系。通过算例说明了温度变化率对复 合材料热力学性能的重要影响。单向纤维复合材料的一维变温热变形分析数据不仅 显示了热应变对时间的强烈依赖关系,而且显示了热变形对温度变化历史的敏感 ‘吐。4.通过引入当量湿膨胀系数的概念,使复合材料中的每相材料的湿膨胀具有统一的表 达式,进而研究了复合材料湿粘弹性理论,引入了等效时变湿膨胀系数的概念并给 出了预测方法。建立了复合材料湿粘弹性本构关系,发现粘弹性复合材料的湿膨胀 不能瞬时完成而具有明显的时变性质。5.建立了复合材料粘弹性湿热膨胀的本构关系,发现当复合材料中的组分材料属性随 温度或湿度变化时,即使复合材料中的各相材料本身没有湿热祸合现象,而对于复 合材料总体却表现出明显的湿热祸合现象。建立了复合材料湿热藕合理论,介绍了 热流变复合材料湿热藕合分析的数值方法。6.以烷烃为例,在纳米尺度上对气、液、固三种物质形态的烷烃在两块作剪切运动板 之间的运动进行基于高质量的COMPASS力场的分子动力学模拟分析。分析了烷烃分 子在不同速度下的剪切运动特征及剪切应力的变化规律。不同状态烷烃分子的对比 分析说明,纳米尺度固态物质的流动性并不比流体流动性能差,而且在一定速度下 固态物质的流动性更好,这一现象不同于传统流动的结论。 本文工作得到国家自然科学基金重点项目(编号:10332010)、重大研究计划项目(编号:90205029)以及教育部优秀青年教师培养计划(2002)的资助。关键词:复合材料,变温粘弹性,热膨胀,湿膨胀,湿热藕合,本构方程,均匀化理论,分子动力学,纳米,剪切流动