【摘 要】
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形状记忆聚合物（SMP）与其他形状记忆材料相比,具有低密度,低造价,强回复性能和优异的加工性能等优势,在纺织、生物医学、航空航天、微电子等领域具有广泛的应用前景。然而目前对于大应变形状记忆聚合物的本构模型特别是高性能形状记忆聚合物本构模型的研究比较欠缺,研究形状记忆聚合物微结构的力学特性将有效拓展形状记忆聚合物在微机电和柔性电子等领域的应用。为进一步拓展形状记忆聚合物的应用领域,本文以SMP热力学
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形状记忆聚合物（SMP）与其他形状记忆材料相比,具有低密度,低造价,强回复性能和优异的加工性能等优势,在纺织、生物医学、航空航天、微电子等领域具有广泛的应用前景。然而目前对于大应变形状记忆聚合物的本构模型特别是高性能形状记忆聚合物本构模型的研究比较欠缺,研究形状记忆聚合物微结构的力学特性将有效拓展形状记忆聚合物在微机电和柔性电子等领域的应用。为进一步拓展形状记忆聚合物的应用领域,本文以SMP热力学行为及其尺寸效应为研究对象,主要内容如下:1、借鉴半结晶聚合物的微观结构,提出了新的SMP微观结构示意图,解释了SMP的形状记忆机理;根据固体力学理论和黏弹性力学理论建立了SMP黏弹塑性本构方程,通过引入冻结比建立了材料参数函数。据此数值模拟了SMP在不同载荷下的热力学行为,研究了SMP的应力、应变和温度之间的速率依赖性,为SMP的设计提供了理论参考。2、提出了相变温度可调控的SMP黏弹性本构模型;该模型将环氧SMP离散为若干玻璃相单元和橡胶相单元,依据其力学特性及粘弹性理论分别建立玻璃相单元和橡胶相单元的粘弹性本构方程,并提出了能够反映形状记忆过程中SMP形变及相变转换机制的微观结构图;分析了环氧SMP的形状记忆响应、不同温度下的应力松弛行为及光固化过程中的材料参数变化,该项工作将会拓展SMP在柔性电子领域的应用。3、建立了SMP Bernoulli-Euler微梁模型以预测SMP微梁的热机械行为及其尺寸效应。基于修正耦合应力理论（MCST）,分析了线弹性微梁的尺寸效应,又提出了能反映SMP尺寸效应的本构方程,并据此和Bernoulli-Euler梁理论,得到了SMP微梁的变形能表达式;利用最小势能原理和分离变量相结合的方法,建立了SMP Bernoulli-Euler微梁模型;据此,数值研究了SMP Bernoulli-Euler微梁的尺寸依赖行为、形状记忆行为以及泊松比对二者的影响;为SMP细长微梁的应用提供了参考。4、以承受任意载荷的SMP Timoshenko微梁为研究对象,基于修正偶应力理论和最小势能原理,研究了Timoshenko微梁的挠度、转角及应力的尺寸效应,分析了泊松比对Timoshenko微梁力学行为及尺寸效应的影响;又根据修正偶应力理论,建立了SMP的微尺度本构方程;又结合Timoshenko梁理论以及哈密顿原理,建立了由平衡方程和边界条件组成的SMP Timoshenko微梁模型;据此研究了尺寸效应对SMP Timoshenko微梁的黏弹性、刚度、强度和形状记忆行为的影响,该项工作将会拓展微梁在微电子及仿生领域的应用。
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