生物体的生存能力取决于其对环境的适应和反应能力。近年来,研究人员发现,许多人造材料也能够根据环境刺激产生应激反应,而形状记忆材料就是其中最著名的一种。形状记忆材料能够在外激励条件下,改变材料形状,进而实现结构的宏观自发变形。形状记忆聚合物由于其制备方便、激励手段多样、成本低廉、生物相容性好等特性,受到了商业公司和研究机构的广泛关注,在空间可展开结构、心脏支架、可变形器件等方面具有广阔的商业应用前景。无定形态聚合物的形状记忆机理与材料的松弛过程和玻璃化转变过程密切相关。当加载温度远高于玻璃化转变温度(_gT)时,聚合物的松弛时间非常短,材料表现为弹性;当降温后,材料经历玻璃化转变,其松弛时间显著变长,材料表现为粘弹性。因此,通过设计恰当的热历史,可以使得无定形态聚合物实现形状记忆过程。热激励下,一个典型的形状记忆过程由形状编程和形状回复两步组成:在形状编程步,材料被加热到_gT以上,同时在载荷作用下变形至临时形状,而后保持外载荷并降低试样温度至_gT以下,在此过程中玻璃化转变将导致材料松弛时间显著变长,在降温后材料很难通过自发松弛回复至原始形状,因此这一临时形状将被固定;在形状回复步,材料被缓慢加热至_gT以上,由玻璃化转变导致材料松弛时间缓慢降低,材料由临时形状缓慢回复至原始形状。因此,在热激励下无定形态聚合物的形状记忆过程由温度对松弛时间的调节作用来实现。聚合物松弛时间的可逆改变将使得聚合物的力学本构关系变得非常有趣,这一力学问题不仅为力学研究人员提供了广阔的舞台,而且可靠简洁的本构模型将为形状记忆复合材料、器件设计铺平道路。为了探究由聚合物的玻璃化转变所引发的形状记忆机理,并定量地描述材料各项力学属性在玻璃化转变过程中的连续变化,本文研究并建立了形状记忆聚合物在热激励条件下的本构方程,并利用本文发展的本构模型设计了形状记忆复合材料/器件。本文建立了一套无定形记忆聚合物的粘弹本构模型,模型成功描述了热激励施加速率(温度率)对材料性质和形状回复过程的影响;进一步采用建立的本构模型,本文设计并制备了二维形状记忆复合材料以调控面内性质,和形状记忆智能铰以实现可控宏观变形;根据聚合物粘性基体的流动特性,研究了纳米纤维对形状记忆纳米复合材料的增强机理,揭示了纳米纤维对聚合物基体变形的阻碍存在尺寸效应;为了面向具有复杂组分的聚合物体系,本文最后建立了大变形条件下,半晶态聚合物的三维粘弹-弹塑-损伤模型,为半晶态聚合物在大变形下的形状记忆过程提供了理论参考。本文首先从分子链的微观运动出发,基于广义Maxwell模型建立了温度率相关的形状记忆本构模型,通过引入熵温度在理论上成功描述了聚合物松弛时间随温度变化的滞后现象,对比实验,证明模型能够准确预测变温度率下材料粘弹性的演化和形状记忆行为。而后,基于本文发展的本构模型,利用柔性夹杂-刚性网格设计并制备了新型二维交错复合材料,通过改变夹杂的几何形状、材料性质、体积分数实现了对复合材料面内粘弹性和断裂行为的调控,相比于传统的刚性夹杂-柔性网络,本文设计的这种新型交错特性赋予了复合材料更宽的粘弹性可调域、更高的刚度、强度和断裂韧性。本文进一步将形状记忆聚合物结合柔性电路,设计并制备了形状记忆智能铰,这种智能铰可以通过加热电路驱动形状记忆基体实现形状回复,并同时利用传感电路监测回复过程,通过计算机程序实现了对回复角度地精确控制。为了研究形状记忆纳米增强复合材料的增强机理,本文由形状记忆基体的粘性出发,通过纳米压痕测试发现压痕边缘隆起的O&P判据不适用于纳米纤维增强形状记忆复合材料,其原因为纳米纤维的增强效果同测试尺度密切相关。当测试尺度小于纳米纤维骨架尺度时,纳米纤维不能够有效阻碍粘弹基体的流动。纳米纤维仅能阻碍粘性基体的远程运动,在压痕测试中表现为压痕边缘隆起。本文最后研究了半晶态聚合物聚醚醚酮(PEEK)在大变形下的三维力学性能,建立了大变形粘弹-弹塑-损伤本构模型。在实验中,本文采用两步加载:在第一步单轴拉伸中,微观孔洞在PEEK材料中萌生并演化,宏观上引发了显著的体积膨胀;在拉伸完成后,试样被切割为正方形试样进行横向压缩,测试结果表明横向压缩屈服应力和模量随拉伸量发生显著下降。结合实验观察,建立的本构模型将体积膨胀和横向屈服应力、模量的下降归因为微观孔洞的增长,对比多种加载历史、温度和应变率下的实验结果,证明了本构模型能够有效预测PEEK的三维力学性能。