橡胶材料的结构与黏弹性

橡胶基体与补强剂粒子通过界面相互作用而形成高度"结构化"的三维黏弹性材料.讨论了结合橡胶(BdR)形成机制、分子弛豫特性、补强机理、非线性黏弹性的基础研究进展,分析了已有研究结果所存在的矛盾或争议,结合本课题组在高填充橡胶材料黏弹性方面的研究,探讨了结构-性能关系并提出展望.虽然BdR形成机制(物理吸附、化学吸附)、补强机理(针对"孤立粒子"的Einstein-Smallwood、Guth-Gold方程及其修正形成、针对"粒子团簇"的粒子簇动态团聚模型、针对"粒子网络"的逾渗模型和拥挤网络模型)、非线性行为(粒子-粒子相互作用说、粒子-橡胶(界面)相互作用说、粒子网络说、互穿网络说)等长期存在争议,长达一个多世纪的研究已基本弄清橡胶材料的结构(动力学)非均质性、应变(应变速率)放大效应、界面相互作用(粒子表面高分子存在能动性梯度)等基本事实.在分析BdR对橡胶黏弹行为影响研究结果的基础上,提出今后橡胶科学研究的两个重要方向,即将结构(动力学)非均质性纳入补强与非线性黏弹性理论范畴,以BdR或粒子-橡胶凝胶为纽带建立微观效应(多时间尺度的分子运动、多空间尺度的粒子分散状态)-宏观性能关系.     

一种基于分子链统计理论的橡胶超弹性混合本构模型

橡胶材料因其独特的超弹性在实际中广泛应用,通过解析应力-应变关系可以为橡胶力学性能的工程应用提供理论指导。为了更准确地描述橡胶材料力学性能,提出一种适用于橡胶材料的超弹性混合本构模型。新模型基于Gaussian模型与八链模型,引入有关拉伸比的权重函数将二者耦合,在拉伸比较小的情况下,新模型退化成Gaussian形式,在拉伸比较大的情况下,新模型可以依靠权重函数改善八链模型在小变形区域的不足。针对取向硬化的应力-应变曲线、无取向硬化的应力-应变曲线、不同拉伸比应力-应变曲线三种力学特征曲线,从单轴拉伸、等双轴拉伸和纯剪切三类实验数据进行预测验证。结果表明,新模型同时保留了Gaussian模型在小变形范围和八链模型在大变形范围内的预测优势,且对拉伸比和应力应变曲线形式没有依赖性,均能给出高精度的预测结果,突破了Gaussian模型和八链模型的使用限制,为橡胶超弹性力学性能的预测提供了新的思路。     

橡胶动态生热数值模拟与实验研究

为提高橡胶动态生热数值模拟的计算精度,基于时温等效原理给出了一种同时考虑温度和应变率来确定拉伸测试条件的方法,它可同时满足设备测试条件和制品使用工况.此外,为获得更准确的超弹性本构方程参数,采用了一种用应力松弛实验得到橡胶完全松弛状态下的一组应力来拟合黏弹性算法中超弹性部分的方法 .采用上述测试方法并借助ABAQUS软件建立橡胶圆柱的动态生热有限元模型,在考虑温度、应变率和动应变幅值对橡胶力学性能影响的基础上,本研究用基于损耗角正切和超弹性模型的生热计算方法和基于频域Prony级数的黏弹性生热计算方法分别计算了橡胶圆柱的压缩生热.结果表明,2种方法计算的温升均与压缩生热实验结果吻合较好,但黏弹性算法精度更高,预测的升温历程与实验结果吻合很好,更好地描述了橡胶滞后生热现象,从而验证了本文提出的确定材料测试条件方法的正确性.     

刚性微粒填充高聚物的宏观本构关系

用微观力学和统计方法研究了含损伤过程的刚性粒子填充高聚物的非线性本构关系．在材料的变形过程中，粒子与基体间界面的开裂引发微孔洞的成核与长大，这虽然弱化了材料的宏观力学性能，但是带来了宏观本构的非线性效应，这为材料的增韧奠定了基础．该文分析了刚性粒子对材料的强化作用和微孔洞演化对材料的弱化作用，以及这两种竞争机制的耦合效应对宏观本构关系的影响，并从理论上给出了界面强度，粒径分散度，平均粒径等参量对材料宏观力学行为影响的定量分析结果．     

动态力学分析技术在类玻璃高分子性能表征中的应用

类玻璃高分子因结合了热塑性材料可塑形变的能力以及热固性材料永久定型的特征,目前在高分子研究领域备受青睐。采用动态力学分析技术可深入研究此类材料的动态黏弹性和流变行为,建立类玻璃高分子交联网络、动态键等结构与材料性能间的关系。本文重点阐述动态力学分析技术在类玻璃高分子的动态黏弹性、交联网络结构、流变行为、膨胀及形状记忆行为等方面的表征应用,为此类材料的结构设计、性能评价以及加工应用等从测试表征角度提供参考。     

Pom-Pom分子在平面收缩流场中的流变行为

用基于管子理论发展的XPP(extended Pom-Pom)模型描述支化高分子熔体——低密度聚乙烯(LDPE)的分子流变特性,实现了从分子微观结构到宏观响应的跨尺度模拟.引入有限增量微积分(FIC)过程重构了压力稳定质量守恒方程以克服因流体不可压缩性引发的压力场空间分布虚假振荡现象.采用离散的弹性——黏性应力分裂技术(DEVSS)以在缺失纯黏性项情况下保持动量方程弱形式中的椭圆项贡献.利用迎风流线(SU)方法离散黏弹性XPP本构方程中的对流项,以基于Crank-Nicolson隐式差分格式的迭代稳定分步算法求解质量、动量守恒方程和本构方程.采用等低阶有限元模拟了平面黏弹性收缩流,考察了不同Weissenberg数、支化程度和分子结构参数对Pom-Pom分子在收缩流场中流变行为的影响,数值结果与相关文献和试验结果吻合得较好.     

黏弹性流体在微粒被动操控技术中的应用

因能实现微米尺度粒子的精确操控,微流控技术已被广泛运用于医学、制药、生物和化学等领域,其中无需外场作用的被动操控技术由于其简单性和自主性更是成为研究热点。与其他被动操控技术相比,黏弹性聚焦技术更易实现微粒的三维聚焦且能操控微粒的尺度跨度大、流体流量范围广。因此,本文综述了黏弹性流体在微粒被动操控应用中的最新研究进展。首先,介绍了微粒在不同结构流道内的黏弹性流体中进行迁移的受力机理,进一步详细阐述了黏弹性聚焦、黏弹性分选、黏弹性混合以及其他黏弹性微粒操控应用研究进展,最后对研究黏弹性流体流动特性和在其内微粒迁移运动规律的数值模拟方法进行了介绍,并在分析现有问题的基础上对黏弹性微流控技术未来的发展作出了展望。     

橡胶弹性模型的新进展

传统橡胶弹性模型存在一定的局限性,例如不能真实地反映橡胶的交联网络结构,不能解释多个网络结构参数对橡胶力学性能的影响,也不能很好地描述大变形条件下橡胶的弹性.为了解决上述科学问题,崔树勋等提出了一个新的模型(TCQMG模型),在该模型中橡胶交联网络同时包含顺-1,4-聚异戊二烯和聚硫,并且高分子链的弹性同时包含了熵弹性和焓弹性.研究表明,新的模型不仅可以很好地描述硫化橡胶的弹性,还可以解释硫含量等参数对橡胶性能的影响.考虑到天然橡胶与其他橡胶甚至超分子水凝胶在网络结构上的相似性,新模型也可能用于描述这些材料的力学性能.     

黏弹性聚合物溶液在突扩孔道内的流动特性

采用上随体Maxwell本构方程,描述油藏条件下以第一法向应力差为主要特征的聚合物溶液的流变性.利用有限体积法对黏弹性聚合物溶液在突扩孔道内的流动特征进行数值模拟.绘制了流函数和速度的等值线图.研究了黏弹性的变化对微观波及效率的影响.数值模拟结果表明,聚合物溶液的黏弹性是影响波及效率的主要因素.凹角处的流动区域随着弹性的增加在不断增大,因此滞留区域不断减小,微观波及效率不断增大.具有黏弹特性的聚合物溶液相比于纯黏性的牛顿流体更利于提高驱油效率.这一结论有助于驱油工业上聚合物溶液的设计和优选.     

橡胶在动态载荷下的能量损耗分析

以交联密度不同的同类轮胎胎面胶A1和A2为研究对象,通过动态拉伸实验得到储能模量及损耗模量随频率变化的曲线.建立了黏弹性广义Maxwell模型来定量分析不同温度的橡胶在不同频率的动态载荷下的能量损耗.采用非线性规划的方法分别在低频(10~25 Hz)及高频(25~60 Hz)下拟合模量-频率曲线,得到黏弹性广义Maxwell模型的参数值.采用有限元软件Abaqus模拟胎面胶动态拉伸过程并计算胎面胶的损耗角正切,得到不同温度下胎面胶的损耗角正切随激振频率的变化规律,通过和实验结果的比较证明文中所述黏弹性广义Maxwell模型及其参数获取方法可准确应用于胎面胶的动态拉伸性能分析.预测了在不同温度及频率下每一循环载荷周期中胎面胶的应力-应变迟滞回线以及单位体积胶料的能量损耗,阐释了不同温度下的胎面胶的能量损耗随频率的变化规律,同时结合2种胎面胶的交联密度测试数据分析了胶料的构效关系.     

基于弹性统计理论的硅橡胶纳米复合材料本构关系的建立

基于考虑了悬垂链的橡胶弹性统计模型,通过引入应变放大因子,建立了硅橡胶纳米复合材料的基于微观机制的本构关系,其中利用硅橡胶分子信息(分子量M、乙烯基含量wt_(Vi)%)、乙烯基反应程度(q)估算获得本构方程中的交联点间链段分子量(Mc),网络链(network strands)体积分数(Φ)等参数,通过拟合确定了与纳米粒子相关的部分参数(初始应变放大因子X_0,极限应变放大因子X_∞,衰减因子z),对掺杂白炭黑的单组分及长短链配合硅橡胶拉伸应力-应变数据进行拟合,在采用相同X_∞,z值情形下,拟合曲线仍能与实测值符合较好(拟合的Adj.R-Square值分别为0.99576、0.99596)。基于微观物理机制的本构关系能够成为联系微观分子结构参数与宏观应力的桥梁,本文工作有望为更有针对性地改进和优化硅橡胶的性能提供依据。     

基于三维椭球模型的构象弹性理论

基于合理的旋转异构态模型得到二维链构象分布函数,通过假设构象态消失规则得到的构象弹性理论能很好地描述高分子材料的橡胶弹性．本研究利用三维椭球模型,考虑各向异性的形变过程,对构象弹性理论进行了进一步修正;并且利用修正后的理论计算全同立构聚丙烯（iPP）的应力应变关系．理论结果成功地描述了在形变过程中,由于结构变化对自由能、熵及内能变化的影响．此外,对高分子凝聚态多尺度衔接问题也作了初步探索．     

高分子力学阻尼材料的研究——Ⅰ.填料对氯化丁基橡胶的力学阻尼行为的影响

本文研究了填料对氯化丁基橡胶在玻璃化转变温度以上的温度范围里的力学阻尼行为的影响。在T_g-36℃的范围里,通过测定填料表面吸附的结合橡胶和填料的表面积,用填料-橡胶界面积函数和单位重量橡胶在填料表面占据的表面积等参数,研究了填料-橡胶相互作用对氯化丁基橡胶的力学阻尼行为的影响;用界面积函数和填充胶中填料的体积份数之积研究填料-填料相互摩擦对它的力学阻尼行为的影响。发现在填料浓度低时,氯化丁基橡胶的力学阻尼行为主要受填料-橡胶相互作用的影响,高浓度时,填料-填料相互摩擦显著地改善了它的力学阻尼行为。     

高分子黏弹性的经典唯象模型

高分子流体的黏弹性质是高分子科学和工程中一个非常重要的研究领域.与简单黏性液体和弹性固体不同,外场作用下缠结高分子流体呈现出复杂的黏弹性行为,例如应力不仅仅与应变幅度或应变速率有关,还与整个形变历史相关.近半个世纪以来,人们建立了很多描述这些复杂黏弹性质的模型和理论,其中一类是基于连续性介质力学原理的唯象模型,例如:Maxwell模型、Voigt-Kelvin模型和在时空上所有参数为常量的连续性模型;另一类是瞬态网络模型,该模型把缠结点考虑成瞬态交联点,高分子链看成珠簧链;还有一类是微观分子理论,其中最著名的是"管子模型".本文首先介绍缠结高分子流体的线性黏弹性响应和Boltzmann叠加原理的基本概念,然后,重点综述描述高分子黏弹性质仍非常有实际应用价值的3个经典唯象模型,包括Maxwell模型、Voigt-Kelvin模型和瞬态网络模型,特别是这些理论的详细推导和存在的主要问题.关于高分子黏弹性的微观理论将在其它综述中单独介绍.     

SSBR/SiO_2混炼胶的动态黏弹行为

研究了白炭黑(SiO2)填充溶液聚合丁苯橡胶(SSBR)的动态流变行为,考察了时间-浓度叠加(time-concentration superposition,TCS)原理在粒子填充橡胶中的应用,获得以未填充SSBR为基准的流变叠加曲线.流变叠加曲线在低频下呈现模量平台,复数黏度呈现剪切变稀行为,而损耗因子tanδ在特定频率下出现峰值.基于刚性粒子所导致的应变放大效应以及SiO2粒子间SSBR分子的受限运动,探讨了TCS模量平移因子AG与频率平移因子Aω随SiO2体积分数φ的变化.AG与Aω均为φ的标度函数,但AG～φ关系不符合粒子聚集体团聚(cluster-cluster aggregation,CCA)模型.讨论了偶联剂3-辛酰基硫代-1-丙基三乙氧基硅烷(NXT)对动态流变行为的影响.NXT不影响性叠加曲线的低频平台模量与剪切变稀幂律指数.然而,与不含偶联剂的混炼胶相比,NXT造成SSBR特征弛豫时间缩短,稠度与A增大.     

气相生长碳纤维填充聚苯乙烯的熔体动态流变行为

采用修正的两相模型讨论加工条件对不同体积分数(ψ=0～0.05)气相纳米碳纤维(VGCF)填充聚苯乙烯(PS)熔体(200℃)频率(ω)依赖性动态流变的影响.与弱剪切条件(190℃;30 r/min-5 min)下所制备的材料相比,VGCF在强剪切条件(190℃;120 r/min-10 min)下所制备材料中分散均匀,“粒子相”应变放大因子A,(ψ)较低,而松弛指数n较高.将应变(γ)依赖性G″(ω,ψ)应变放大因子A,(ψ,γ)与“粒子相”特征模量G″fψ(,γc),G″f(ψ,γc)引入两相模型,讨论加工条件对γ依赖性非线性流变行为的影响.研究结果表明,两相模型可定量讨论填充熔体动态流变行为.加工条件影响VGCF在基体中的分散性,但不影响“粒子相”弹性贡献R′f(ψ)与n的关系、G′f(ψ,γc)与非线性应变幂律指数x的关系以及G″f(ψ,γc)与非线性应变幂律指数y的关系,说明“粒子相”对填充熔体黏弹性的贡献与其弛豫特性及结构稳定性密切相关.     

以构象概念为主线的高分子物理教学实践

提出以构象概念作为教学主线,论述了构象概念的意义以及构象概念与力学状态、橡胶弹性、取向态、流变性和凝聚态的内在关系。     

国内外PVB材性研究

主要介绍了国内外研究PVB(聚乙烯醇缩丁醛)材性的现状。国内外研究表明,PVB是应变率及温度敏感材料。应变率增加,弹性模量变大;温度升高,弹性模量和剪切模量均下降。同时,国内外进行了少量的实验,研究PVB的本构模型。总结发现,PVB的本构模型可描述为线弹性、弹塑性、线性粘弹性和非线性粘弹性四种,但本质上PVB是非线性粘弹性材料,不同的环境条件与计算要求可选择不同的本构模型。目前,国内外学者比较认可的是用超弹性考虑其非线性,用Maxwell模型考虑其粘弹性。     

基于广义Maxwell模型的轮胎橡胶动态压缩性能分析

为了定量分析轮胎胎面胶动态力学性能及能量损耗,建立了基于广义Maxwell模型的黏弹性本构关系,根据胎面胶在各个温度下恒温动态压缩时的储能模量与损耗模量的频率扫描实验数据并采用非线性回归法求解误差函数的极小值的方法,确定各个温度下的黏弹性广义Maxwell模型参数.利用ABAQUS/Standard有限元软件数值模拟胎面胶动态压缩过程,得到不同温度下胎面胶的损耗角正切随激振频率的变化规律,并与实验结果进行对比分析.结果表明,黏弹性广义Maxwell模型及其参数的获取方法可以准确地用于胎面胶动态力学性能分析.在此基础上,定量预测了在不同温度及频率下每一循环载荷周期中胎面胶的应力-应变迟滞回线以及单位体积胶料的能量损耗,分析显示随频率增大,单位体积胶料的能量损耗逐渐增大,并且随着温度降低,能量损耗增大的幅度加大.     

导热橡胶研究进展北大核心CSCD

橡胶是热的不良导体,但在实际应用中,许多领域需要橡胶具备一定的导热性能,以满足使用要求。因此,人们对于橡胶导热的研究越来越重视。本文概述了导热填料种类、形状、粒径、界面结合状态以及填料在橡胶基体中的分散性等因素对橡胶复合材料导热性能的影响,从实验角度分析了填充型导热橡胶的导热机理,阐述了目前研究中人们所建立的各种物理和数学模型,浅析了这些模型的优缺点及适用范围,并将其应用于橡胶材料导热性能的预测,最后介绍了导热橡胶的应用领域,以及导热橡胶未来的发展方向。