【摘 要】
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在材料和结构中实现可控变形是智能材料领域的一个重要课题。自然界中部分植物内部的异质结构在吸收/失去水分过程中会发生膨胀/收缩现象,从而实现整体形状的可逆性变化。通过仿生设计理念参考植物异质结构由于不均匀膨胀所导致的形状可逆变化可以开发出具有对环境刺激因素产生响应的环境自适应性复合材料。在不同初始环境相对湿度条件下利用不同木纹理的山毛榉木制备了四种山毛榉木/云杉复合木板,其中该四种湿度驱动复合板可通
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在材料和结构中实现可控变形是智能材料领域的一个重要课题。自然界中部分植物内部的异质结构在吸收/失去水分过程中会发生膨胀/收缩现象,从而实现整体形状的可逆性变化。通过仿生设计理念参考植物异质结构由于不均匀膨胀所导致的形状可逆变化可以开发出具有对环境刺激因素产生响应的环境自适应性复合材料。在不同初始环境相对湿度条件下利用不同木纹理的山毛榉木制备了四种山毛榉木/云杉复合木板,其中该四种湿度驱动复合板可通过调控环境相对湿度实现形状的可逆弯曲变形。针对所制湿度驱动可逆变形复合板对其形状变形特征以及力学性能进行以下研究:(1)通过湿度驱动变形实验对四种湿度驱动可逆变形复合材料在吸水/失水过程中产生的形状可逆变形特征进行分析。实验表明湿度驱动复合板所发生的弯曲变形特征与初始制备条件以及木材的湿度膨胀特性有关,其中干复合板在吸湿过程中将由笔直状态变化为弯曲状态,而湿复合板将由弯曲状态变化为笔直状态,干弦向与湿弦向湿度驱动复合板在吸湿过程中发生弯曲变形,干径向与湿径向湿度驱动复合板在吸湿过程中会发生弯曲扭转变形。干制湿度驱动复合板变形特征符合改进的Timoshenko双层湿度膨胀材料理论模型。在吸湿过程中湿度驱动复合板存在快速响应变形阶段,在该阶段湿度驱动复合板的变形特征符合基于改进的Timoshenko双层湿度膨胀材料理论模型。(2)通过干弦向湿度驱动复合板进行准静态单轴拉伸—湿度驱动循环变形实验以及带配重复合板湿度驱动变形实验探究了湿度驱动复合板在湿度驱动循环变形过程中以及湿度驱动过程中的力学性能。准静态单轴拉伸—湿度驱动循环变形实验表明不超过2000倍自身重力的拉伸载荷对湿度驱动复合板的弹性模量以及湿度驱动循环变形能力不存在明显影响。在复合板吸湿过程中较大的外载荷将阻碍复合板湿度驱动变形的能力,其中带配重复合板湿度驱动变形实验表明湿度驱动复合板在承受100倍以内自重的外载荷时仍然具有良好的承载能力,且提出了湿度驱动复合板承受外载荷时湿度驱动形状变化的经验公式。
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