形状记忆聚合物的力学性能分析及其智能模具制备

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1、博士学位论文形状记忆聚合物的力学性能分析及其智能模具制备MECHANICALBEHAVIORANALYSISANDSMARTMANDRELSFABRACATIONBASEDONSHAPEMEMORYPOLYMERS杜海洋哈尔滨工业大学2017年9月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文形状记忆聚合物的力学性能分析及其智能模具制备博士研究生：杜海洋导师：刘彦菊教授申请学位：工学博士学科：固体力学所在单位：航天学院答辩日期：2017年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学C

2、lassifiedIndex:TB332U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringMECHANICALBEHAVIORANALYSISANDSMARTMANDRELSFABRACATIONBASEDONSHAPEMEMORYPOLYMERSCandidate：DuHaiyangSupervisor：Prof.LiuYanjuAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：SolidMechan

3、icsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：September,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要复杂形状复合材料结构件以其比强度高、比刚度高、质量轻、容易大面积成型等优势，在航空航天、工业运输等领域发挥着越来越重要的作用。通常复杂形状复合材料结构件的成型需要特定模具完成。目前，复合材料成型中使用的模具包括：组合式金属模具、水溶性模具、橡胶气囊模具。组合式金属模具自重大、

4、工作周期长、各片组装/拆模顺序唯一，脱模过程繁琐。水溶性模具为一次性模具，需固化芯模、晒干、表面二次处理，构件成型后需溶解芯模，生产周期长。气囊模具表面刚度较低，在构件成型过程中，需始终保持内部压力。为克服传统模具在制备复杂形状复合材料结构件中存在的缺陷，本文提出一种基于形状记忆聚合物（Shapememorypolymer，简称SMP）的智能可变形模具，并对应用该模具制备复杂形状复合材料结构件的可行性进行了探讨。基于SMP的变刚度和形状记忆特性，本文设计并制备用于复杂形状复合材料结构件的SMP智能可变形模具。当温度高于

5、材料玻璃化转变温度（Tg）时，SMP处于橡胶态，弹性模量低。在内部压力作用下，模具容易吹塑变形至预定临时工作形状，且随温度降低和压力卸除，模具保持临时工作形状。室温时，SMP处于玻璃态，弹性模量高。模具可承受外部压力作用，用于制备复杂形状复合材料结构件。待构件固化成型后，再次升高温度，引发SMP形状回复，即模具回复为初始形状，从而实现顺利脱模。为探讨SMP模具在复杂形状结构件制备中应用的可行性，本文对SMP材料的力学性能、模具设计与性能评估进行了系统的研究。首先，针对两种不同Tg的苯乙烯基SMPs进行完善的热力学性能表

6、征。采用动态热机械分析仪、静态力学性能分析仪、温度控制系统等实验设备，系统的研究了两种不同Tg苯乙烯基SMPs的动态力学行为、静态高低温拉伸力学行为、形状记忆热力学行为、变形定温回复行为和热变形行为。获得两种不同Tg苯乙烯基SMPs的玻璃化转变温度、储存模量宽频范围分布规律、弹性模量和断裂延伸率随温度变化分布规律，热膨胀系数随温度的变化规律，以及两种SMPs拉伸变形下的形状固定和回复性能。同时，考虑升温速率、动态频率对两种SMPsTg的影响，以及不同回复温度对SMPs变形回复的影响。另外，制备并表征SMPs管在拉伸、压

7、缩、弯曲、扭转的变形和回复性能。完善的热力学行为表征实验为后续SMP模具的有限元仿真及制备提供必要的材料参数。其次，基于两种苯乙烯基SMPs高温弹性模量低，变形能力高等特性，进行模具高温吹塑成型过程仿真，分析SMPs模具的极限变形性能。同时，利用-I-哈尔滨工业大学工学博士论文SMPs低温弹性模量高的特性，研究模具的极限承载性能。另外，基于不同工作温度下，工作频率在f=0.1Hz～100Hz的两种苯乙烯基SMPs的储存模量扫描曲线，通过不同温度间的扫描曲线水平平移，获得参考温度下，两种SMPs在宽-34频范围（f=10

8、～10Hz）储存模量的主曲线。采用最小二乘法，拟合出不同并联个数的广义Maxwell模型力学参数。选取试件伸长率为50%的SMP试件作为研究对象，验证广义Maxwell模型在分析SMP试件变形和回复的有效性。进而，设计复杂形状SMP模具的初始/临时工作形状，应用具有11组松弛模量和松弛时间的广义Maxwell本构模型，结合时温等效