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高分子和高分子基复合材料由于其性能优良、易于加工成型并且价格低廉,在航空航天、国防、交通、建筑以及其它的各个工业领域的应用十分广泛。但是高分子材料本身固有的较强的加载时间和温度依赖性,限制了它们的应用范围,是在应用中必须考虑的问题。为了解决这些问题,对高分子和高分子基复合材料的热-粘弹性性质进行研究是很有必要的。本文根据不可压缩橡胶弹性的分子网络理论、大变形弹性理论以及内变量理论,结合热力学理论,给出了可压缩非晶态高分子材料和高分子基颗粒夹杂复合材料的热-粘弹性本构关系。本文主要完成的工作归纳如下:
(1)利用大变形弹性理论,将橡胶弹性下描述不可压缩材料的全网模型推广到了可压缩的情形。再基于内变量理论,给出了一个表征可压缩非晶态高分子材料粘弹性性质的变形能表达式。如果变形过程中温度变化比较小,定容比热可以看成是常数,这时变形能是温度的线性函数,由此给出一个新的考虑热膨胀效应的变形能表达式,从而得到热-力耦合的可压缩热粘弹性分子网络模型。该本构模型的优点是所用到的材料参数很少,仅仅只包含对一个可压缩热粘弹性本构关系来说是必不可少的几个参数,却能反映高分子材料的可压缩性、粘性耗散、温度依赖性等多个方面的性质。根据这个可压缩热-粘弹性本构模型,本文对非晶态高分子材料在简单剪切和单向拉伸变形下的力学行为进行了数值模拟,并讨论了应变速率、可压缩性和热膨胀系数对应力应变关系的影响以及在绝热变形中温度的变化。
(2)将四种橡胶弹性下可压缩本构模型即广义neo-Hookean模型、应变二次型模型(黄筑平)、广义Varga模型和全网模型推广到考虑温度与粘性效应的情形,并对这四种模型进行了讨论和比较。结果发现,在相同条件下,应变二次型模型的应力最大,全网模型的应力次之,广义Varga模型的应力最小。同时还发现,在分子链链节数比较小的情况下,全网模型可以等效于应变二次型模型;当分子链链节数趋于无穷大时,全网模型将退化为neo-Hookean模型。
(3)根据Eshelby夹杂方法和非晶态高分子材料热-粘弹性本构理论,给出了高分子基颗粒夹杂复合材料的热-粘弹性本构关系。在本章模型中,假设粒子是体心立方分布,考虑立方体八个顶角上的粒子对体心粒子有影响。在有限变形下,粒子变形仍可以看为是线弹性变形,变形能可以通过Eshelby方法可求得,而基体的变形能则根据八链模型结合非晶态高分子材料热-粘弹性本构理论得到,复合材料的总变形能为二者之和,由此得到复合材料的热-粘弹性本构关系。