关键词:
三维编织复合材料
碳纤维
形状记忆行为
有限元分析
电热驱动
摘要:
形状记忆材料因其独特的智能自主形变特性在航空航天、生物医疗和柔性元件等领域得到广泛应用。形状记忆聚合物存在低强度、低回复应力、响应方式单一等问题,限制了其应用范围。形状记忆聚合物复合材料(Shape memory polymer composite,SMPCs)具备更强的机械性能、回复应力和更多刺激响应方式等优势。通过对SMPCs内部增强体进行合理的结构设计,可以进一步提高其强度、回复性能和稳定性。因此,深入探究SMPCs内部结构与性能之间的关系、明确电热驱动变形行为响应规律具有重要科研价值。三维编织碳纤维增强SMPCs凭借其近净成形结构优势可以克服传统层合板易分层的问题,有效满足高强度材料设计需求的同时丰富其驱动方式。本课题通过结构设计、试验表征、数值仿真研究三维编织增强SMPCs的形状记忆行为,揭示其电/热驱动形变机理,为智能变形结构设计与实际工程应用提供有价值的参考。
主要工作:
(1)基于碳纤维/聚氨酯芯壳结构复合纱线,发展复合纱线-四步法编织-热压成型后浸渍工艺,制备电/热双驱动三维四向/五向编织SMPCs板以及圆管结构件。
(2)探讨三维编织SMPCs结构参数、材料性质以及焦耳热效应与材料回复变形行为关系。对三维编织SMPCs在弯曲载荷下的力学响应与断面特征进行表征。系统研究了三维编织SMPCs内部增强结构、驱动电压与环境温度对其形状回复性能的影响规律。采用数字图像相关技术对SMPCs原位电驱动回复过程中的应变场与温度场进行定量分析,深入探究三维编织SMPCs回复变形结构效应和温度效应。
(3)通过数值模拟揭示三维编织SMPCs热力耦合形变机理。构建全尺寸细观粘弹性有限元模型,计算三维编织SMPCs形状记忆热力学过程,分析纱线和树脂在形状记忆过程中的应力应变与形变和温度的关系。依据试验与有限元结果,阐明三维编织SMPCs回复变形结构效应与形变机理。
(4)系统表征三维编织SMPCs圆管结构件静态力学性质与形状回复性能。利用计算机断层扫描技术评估SMPCs圆管热压前后孔隙率变化。研究不同编织角SMPCs圆管径向与轴向压缩力学响应特征。通过电/热回复测试研究其径向压缩下形状回复速度、变形特征、单个记忆循环中压缩回复力,以及横向压缩下变形模式、电热速率和回复变形行为,揭示SMPCs圆管在静态压缩下的变形机制与回复机理。
主要结论:
(1)编织角对三维编织SMPCs力学性能、热机械性能与形状回复性能有显著影响。SMPCs弯曲模量随着编织角减小而增大,15°编织角试样在弯曲载荷下发生脆性断裂破坏,25°与35°试样表现为塑性屈服。SMPCs的储能模量随着编织角减小而增加,15°编织角试样储能模量为纯聚氨酯的3.7倍。数字图像相关分析结果表明,试样回复过程中面内平均应变变化与宏观回复变形规律一致,小编织角试样形状回复速度更快。约束回复测试表明,15°编织角试样的回复力为35°试样的1.7倍。
(2)发现轴纱的引入与位置分布对三维五向编织SMPCs在弯曲变形下的力学性能、电热速率与形状回复性能的影响规律。轴纱的加入使三维编织SMPCs的储能模量与弯曲模量增加,电热速率提高。轴纱分布在中间层与两侧的试样比仅分布在中间层试样回复力提高37.2%,并且回复速度也有所增加,但形状固定率下降。
(3)通过有限元方法计算三维四向/五向编织SMPCs弯曲变形行为与细观结构关系。碳纤维编织结构作为增强相显著提高了SMPCs的热力学性能。对于三维四向编织SMPCs,小编织角试样在不同弯曲状态下的应力应变水平均高于大编织角,在保载降温后SMPCs整体冻结应力和应变更大,提高了SMPCs形状回复速度。对于三维五向编织SMPCs,分布在外侧轴纱平均冻结应力分别为内侧轴纱和中间层轴纱的3.01倍和5.04倍,将轴纱分布在SMPCs两侧可以有效提高形状回复速度。
(4)三维编织SMPCs圆管结构件压缩变形与形状回复性能具有明显结构效应。大编织角SMPCs圆管承受径向载荷能力明显高于小编织角试样,轴向承载能力则相反。随着编织角增加,试样径向压缩载荷、残余载荷和回复力增加,大编织角试样的回复力达到13.1N。SMPCs圆管径向热驱动形状回复所需时间随编织角增大而增加。横向压缩电热回复面外位移和温度云图显示,30°编织角试样抵抗横压变形能力最弱,45°试样完成回复时间最短。
综上所述,本课题系统测试和表征三维编织SMPCs的力学性能、热机械性能、电热性能及形状回复性能。建立细观结构三维编织SMPCs形状记忆行为数值计算模型,分析SMPCs形状记忆性能的结构效应,揭示其热力耦合形变机理。形成智能变形结构的优化设计方法,并提供有效的性能预测和评估手段。