聚合物基復(fù)合材料粘彈特性及應(yīng)力松弛機(jī)理研究

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其粘彈性力學(xué)行為因受組分比例、微觀結(jié)構(gòu)及其組分間相互作用等因素的影響而變得十分復(fù)雜，開展該方面的研究，并揭示其不同條件下的應(yīng)力松弛規(guī)律，具有較高的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本項(xiàng)目從復(fù)合材料粘彈性實(shí)驗(yàn)測(cè)試入手，建立了新的粘彈性表征方法，揭示了其應(yīng)力松弛機(jī)理；在通用單胞模型的基礎(chǔ)上，建立了一種新的細(xì)觀力學(xué)粘彈性理論模型和相應(yīng)的顯式數(shù)值分析方法，描述了復(fù)合材料粘彈性應(yīng)力松弛的一般演化規(guī)律；在分析復(fù)合材料和基體粘彈性行為的基礎(chǔ)上，提出了一種新的表征復(fù)合材料粘彈性屬性的逆向反推模型，揭示復(fù)合材料細(xì)觀組分與宏觀粘彈性力學(xué)性能之間的內(nèi)在關(guān)系。利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法，研究了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的力學(xué)行為及其應(yīng)力松弛機(jī)理，項(xiàng)目成果可以為樹脂基復(fù)合材料的工程化應(yīng)用提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。 2100433B

聚合物基復(fù)合材料在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。其粘彈性力學(xué)行為因受組分比例、微觀結(jié)構(gòu)及其組分間相互作用等因素的影響而變得十分復(fù)雜，是目前該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。開展該方面的研究，并揭示其不同條件下的應(yīng)力松弛規(guī)律，具有較高的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本項(xiàng)目從復(fù)合材料粘彈性實(shí)驗(yàn)測(cè)試入手，建立新的粘彈性表征方法，揭示其應(yīng)力松弛機(jī)理；在通用單胞模型的基礎(chǔ)上，建立一種新的細(xì)觀力學(xué)粘彈性理論模型和相應(yīng)的顯式數(shù)值分析方法，描述復(fù)合材料粘彈性應(yīng)力松弛的一般演化規(guī)律；通過復(fù)合材料和基體材料的粘彈性松弛規(guī)律的對(duì)比，建立表征復(fù)合材料粘彈性屬性的逆向反推力學(xué)模型；利用復(fù)合材料應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，研究不同工藝制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力松弛規(guī)律。通過本項(xiàng)目的研究，期望在復(fù)合材料粘彈性實(shí)驗(yàn)表征方法、細(xì)觀力學(xué)模型、組分粘彈性影響規(guī)律及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力松弛機(jī)理等方面獲得創(chuàng)新成果，為其在工程中廣泛應(yīng)用提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

以往對(duì)氣管軟骨力學(xué)特性研究多以動(dòng)物氣管軟骨和一維拉伸實(shí)驗(yàn)居多，對(duì)人氣管軟骨應(yīng)力松弛粘彈性力學(xué)特性研究較少。生物材料的粘彈性主要以應(yīng)力松弛蠕變?yōu)楸憩F(xiàn)形式，應(yīng)力松弛是軟組織在恒應(yīng)變作用下，對(duì)載荷松弛適應(yīng)性的反應(yīng)，雖然機(jī)制尚不清楚，但氣管軟骨的應(yīng)力松弛力學(xué)特性對(duì)于認(rèn)識(shí)吻合口張力，確定氣管損傷后的張力臨界點(diǎn)具有重要意義。

氣管由于炎癥、腫瘤、損傷等疾患需要進(jìn)行氣道再建，現(xiàn)代呼吸道(氣道)外科手術(shù)對(duì)氣管病變不超過1/2程度，可切除病變部位氣管后直接縫合吻接，修復(fù)和重建氣管的功能。當(dāng)氣管切除超過其直接的吻合長(zhǎng)度，則需要置換人工氣管。鑒于臨床實(shí)際需要，孫長(zhǎng)江等對(duì)正常國(guó)人尸體氣管軟骨進(jìn)行了應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，得出了氣管軟骨7200s應(yīng)力松弛量，得出了應(yīng)力松弛曲線和歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)曲線。以一元線性回歸分析的方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了應(yīng)力松弛函數(shù)方程。研究以制備的顯影聚合物有機(jī)溶液作為栓塞材料進(jìn)行體外模擬實(shí)驗(yàn)，篩選最佳條件為下一步的動(dòng)物試驗(yàn)和臨床試驗(yàn)提供了依據(jù)，篩選出的最佳條件為:聚合物濃度4%，推注速度為0.10ml/min，完全栓塞時(shí)及時(shí)停止推注。該工作也體現(xiàn)出本顯影聚合物可以達(dá)到栓塞的目的，可作為一種新的非粘附性液體栓塞材料使用 。2100433B

黃遠(yuǎn)紅等研究了溫度、濕度、初始應(yīng)變量對(duì)娃橡膠泡沫材料應(yīng)力松弛過程的影響。謝邦互等利用時(shí)溫等效原理，通過平移疊加方式將硬質(zhì)聚氯己婦材料各溫度下的屈服強(qiáng)度與拉伸速率倒數(shù)的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的主曲線，并以此評(píng)價(jià)了該材料的長(zhǎng)期耐壓行為。除此之外，研究人員還針對(duì)不同材料進(jìn)行了應(yīng)為松弛模型相關(guān)研究：王必勤等采用四元件Maxwell模型，成功對(duì)不同密度EPDM發(fā)泡材料應(yīng)力松弛過程進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)泡沫材料的松弛時(shí)間與表觀強(qiáng)度與其發(fā)泡水平有關(guān)。陳艷等借助于分?jǐn)?shù)階Maxwell模型擬合了PTFE材料的松弛模量。常鵬鵬等利用二階指數(shù)衰減函數(shù)對(duì)GH4169的合金不同溫度應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展開擬合，并分別求得其材料常數(shù)。肖五柱等以Norton蠕變法則為基礎(chǔ)，提出實(shí)驗(yàn)手段確定材料應(yīng)力松弛參數(shù)的兩種思路。第一種方法是通過單次松弛實(shí)驗(yàn)直接求得材料應(yīng)力指數(shù)，第二種方法利用多條應(yīng)力松弛曲線獲取材料應(yīng)力指數(shù)。楊忠慧等在kowalewski蠕變模型基礎(chǔ)上確立了7055鉛合金蠕變時(shí)效模型，并利用遺傳算法對(duì)其材料參數(shù)進(jìn)行求解。郭進(jìn)全等采用實(shí)驗(yàn)方法研究了國(guó)產(chǎn)螺栓材料應(yīng)力松弛過程與溫度以及初始載荷的關(guān)系，并分別采用Hook-Norton，廣義Maxwell，Logistic等模型試圖對(duì)其進(jìn)行描述 。

如今，越來(lái)越多研究人員認(rèn)為蠕變和應(yīng)力松弛之間存在某種聯(lián)系。蠕變是應(yīng)力一定情況下，應(yīng)變緩慢増加的過程，應(yīng)力松弛現(xiàn)象可以看成是從高到低不同應(yīng)力水平下的蠕變，應(yīng)力松弛的第一部分和第二部分分別對(duì)應(yīng)于蠕變過程的初始蠕變和穩(wěn)態(tài)婦變。建立蠕變和應(yīng)力松弛的轉(zhuǎn)換模型，不僅可降低蠕變和松弛實(shí)驗(yàn)的時(shí)間成本，用易測(cè)量的材料形變代替不易測(cè)量的材料內(nèi)部應(yīng)力，還可用材料的蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接推導(dǎo)出應(yīng)為松弛特性.。

材料在高溫使用時(shí)，有時(shí)要使總應(yīng)變保持不變。在高溫保證總應(yīng)變不變的情況下，會(huì)發(fā)生應(yīng)力隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低的現(xiàn)象．該現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛(stress relaxation)，如圖1所示。例如，高溫條件工作的緊固螺栓和彈簧會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。

材料的總應(yīng)變?chǔ)虐◤椥詰?yīng)變?chǔ)?sub>e和塑性應(yīng)變?chǔ)?sub>p，即ε=ε_e ε_p=常數(shù)。

隨著時(shí)間增長(zhǎng)，一部分彈性變形逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危牧鲜艿降膽?yīng)力相應(yīng)地逐漸降低。ε_e的減小與ε_p的增加是同時(shí)等量產(chǎn)生的。

蠕變與應(yīng)力松弛在本質(zhì)上相同，可以把應(yīng)力松弛看作是應(yīng)力不斷降低的“多級(jí)”蠕變。蠕變抗力高的材料，其抵抗應(yīng)力松弛的能力也高。但是，目前使用蠕變數(shù)據(jù)來(lái)估算應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)還是很困難的。某些材料即使在室溫下也會(huì)發(fā)生非常緩慢的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，在高溫下這種現(xiàn)象更加明顯。松弛現(xiàn)象在工業(yè)設(shè)備的零件中是較為普遍存在的。例如，高溫管道接頭螺栓需定期擰緊，以免因應(yīng)力松弛而發(fā)生泄漏事故。