聚合物基復合材料粘彈特性及應力松弛機理研究結題摘要

纖維增強樹脂基復合材料在航空航天、交通運輸等領域應用十分廣泛，其粘彈性力學行為因受組分比例、微觀結構及其組分間相互作用等因素的影響而變得十分復雜，開展該方面的研究，并揭示其不同條件下的應力松弛規(guī)律，具有較高的科學意義和工程應用價值。本項目從復合材料粘彈性實驗測試入手，建立了新的粘彈性表征方法，揭示了其應力松弛機理；在通用單胞模型的基礎上，建立了一種新的細觀力學粘彈性理論模型和相應的顯式數值分析方法，描述了復合材料粘彈性應力松弛的一般演化規(guī)律；在分析復合材料和基體粘彈性行為的基礎上，提出了一種新的表征復合材料粘彈性屬性的逆向反推模型，揭示復合材料細觀組分與宏觀粘彈性力學性能之間的內在關系。利用實驗和數值方法，研究了復合材料結構件的力學行為及其應力松弛機理，項目成果可以為樹脂基復合材料的工程化應用提供理論和技術指導。 2100433B

聚合物基復合材料在航空航天、交通運輸等領域應用十分廣泛。其粘彈性力學行為因受組分比例、微觀結構及其組分間相互作用等因素的影響而變得十分復雜，是目前該領域研究的熱點和難點。開展該方面的研究，并揭示其不同條件下的應力松弛規(guī)律，具有較高的科學意義和工程應用價值。本項目從復合材料粘彈性實驗測試入手，建立新的粘彈性表征方法，揭示其應力松弛機理；在通用單胞模型的基礎上，建立一種新的細觀力學粘彈性理論模型和相應的顯式數值分析方法，描述復合材料粘彈性應力松弛的一般演化規(guī)律；通過復合材料和基體材料的粘彈性松弛規(guī)律的對比，建立表征復合材料粘彈性屬性的逆向反推力學模型；利用復合材料應力松弛實驗，研究不同工藝制造的復合材料結構件的應力松弛規(guī)律。通過本項目的研究，期望在復合材料粘彈性實驗表征方法、細觀力學模型、組分粘彈性影響規(guī)律及復合材料結構應力松弛機理等方面獲得創(chuàng)新成果，為其在工程中廣泛應用提供理論和技術指導。

以往對氣管軟骨力學特性研究多以動物氣管軟骨和一維拉伸實驗居多，對人氣管軟骨應力松弛粘彈性力學特性研究較少。生物材料的粘彈性主要以應力松弛蠕變?yōu)楸憩F形式，應力松弛是軟組織在恒應變作用下，對載荷松弛適應性的反應，雖然機制尚不清楚，但氣管軟骨的應力松弛力學特性對于認識吻合口張力，確定氣管損傷后的張力臨界點具有重要意義。

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

黃遠紅等研究了溫度、濕度、初始應變量對娃橡膠泡沫材料應力松弛過程的影響。謝邦互等利用時溫等效原理，通過平移疊加方式將硬質聚氯己婦材料各溫度下的屈服強度與拉伸速率倒數的關系曲線轉換為相應的主曲線，并以此評價了該材料的長期耐壓行為。除此之外，研究人員還針對不同材料進行了應為松弛模型相關研究：王必勤等采用四元件Maxwell模型，成功對不同密度EPDM發(fā)泡材料應力松弛過程進行擬合，結果發(fā)現泡沫材料的松弛時間與表觀強度與其發(fā)泡水平有關。陳艷等借助于分數階Maxwell模型擬合了PTFE材料的松弛模量。常鵬鵬等利用二階指數衰減函數對GH4169的合金不同溫度應力松弛實驗數據展開擬合，并分別求得其材料常數。肖五柱等以Norton蠕變法則為基礎，提出實驗手段確定材料應力松弛參數的兩種思路。第一種方法是通過單次松弛實驗直接求得材料應力指數，第二種方法利用多條應力松弛曲線獲取材料應力指數。楊忠慧等在kowalewski蠕變模型基礎上確立了7055鉛合金蠕變時效模型，并利用遺傳算法對其材料參數進行求解。郭進全等采用實驗方法研究了國產螺栓材料應力松弛過程與溫度以及初始載荷的關系，并分別采用Hook-Norton，廣義Maxwell，Logistic等模型試圖對其進行描述 。

如今，越來越多研究人員認為蠕變和應力松弛之間存在某種聯系。蠕變是應力一定情況下，應變緩慢増加的過程，應力松弛現象可以看成是從高到低不同應力水平下的蠕變，應力松弛的第一部分和第二部分分別對應于蠕變過程的初始蠕變和穩(wěn)態(tài)婦變。建立蠕變和應力松弛的轉換模型，不僅可降低蠕變和松弛實驗的時間成本，用易測量的材料形變代替不易測量的材料內部應力，還可用材料的蠕變實驗數據直接推導出應為松弛特性.。

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

材料的總應變ε包括彈性應變ε_e和塑性應變ε_p，即ε=ε_e ε_p=常數。

隨著時間增長，一部分彈性變形逐步轉變?yōu)樗苄宰冃危牧鲜艿降膽ο鄳刂饾u降低。ε_e的減小與ε_p的增加是同時等量產生的。

蠕變與應力松弛在本質上相同，可以把應力松弛看作是應力不斷降低的“多級”蠕變。蠕變抗力高的材料，其抵抗應力松弛的能力也高。但是，目前使用蠕變數據來估算應力松弛數據還是很困難的。某些材料即使在室溫下也會發(fā)生非常緩慢的應力松弛現象，在高溫下這種現象更加明顯。松弛現象在工業(yè)設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，以免因應力松弛而發(fā)生泄漏事故。