单向应力条件下松弛时间率相关的非线性粘弹性本构模型

基于单向拉伸实验研究和内变量理论 ,提出了一种新的简单的一维非线性粘弹性本构关系 .对两种粘弹性材料 ,即高密度聚乙烯和聚丙烯进行了不同加载速率作用下的拉伸实验研究 ,实验结果表明 ,两种材料的应力应变关系与加载速率相关 ;对材料的应力应变实验数据进行拟合发现 ,材料的松弛时间具有很强的应变率相关性 ,当应变率发生数量级变化时 ,材料的松弛时间也发生数量级的变化 .采用内变量理论 ,导出了在单轴应力条件下松弛时间率相关的非线性粘弹性本构关系的迭代形式 ,并给出其收敛条件 .当采取一次迭代形式时 ,本构关系退化为松弛时间率相关的Maxwell模型 .数值拟合的结果表明 ,一次迭代形式的本构关系就可以很好地拟合和预测实验结果 .     

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.     

白炭黑增强型硅橡胶的组成及抗原子氧性能分析

为明确空间级硅橡胶的化学组成及填料添加对材料物理性能的影响, 采用填料复合方式制备硅橡胶高聚物材料, 并通过化学成分测试、 原子氧暴露试验及力学性能测试等研究其结构组成与物理性能. 经微观粒径测试得出硅橡胶中白炭黑填料粒径主要分布在8~16 μm; 经傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 核磁共振波谱( ¹H NMR和 ²⁹Si NMR)和溶胶凝胶渗透色谱(GPC)测试得出硅橡胶中含有Si—Me, Si—Ph, Si—O—Si等基团和甲基、 苯基等官能团, 其分子量分散系数为1.56, 并进一步推断出硅橡胶的分子结构及基胶与交联剂的反应类型为脱羟胺型; 经原子氧暴露试验及力学试验证实, 与未改性白炭黑填充的硅橡胶高聚物材料相比, 经硅烷改性白炭黑填充的硅橡胶高聚物材料表现出更好的抗原子氧性能, 动态力学测试后储能模量高54%, 并具有更好的应力应变响应性能. 研究结果表明, 采用表面改性处理方式可增强填料与硅橡胶基质的相互作用, 从而提高填料复合型硅橡胶高聚物材料的抗原子氧性能及综合力学性能.     

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。     

Mg-Gd-Sc-Mn耐热镁合金的热变形行为

采用GLEEBLE-1500热模拟机对Mg-10．2Gd-0．8Se-1．7Mn合金在温度为573～773K、应变速率为0．001～1s^-1、最大变形程度为60％的条件下,进行高温压缩模拟实验研究。分析了合金流变应力和应变速率及变形温度之间的关系,计算了高温变形时的变形激活能和应力指数,为选择这种合金的热变形加工条件提供实验依据。采用金相显微镜分析了合金在不同温度下压缩变形的组织演变。结果表明：合金的稳态流变应力随应变速率的增大而增大,在恒定应变速率的条件下,合金的真应力随温度的升高而降低;合金的变形激活能随着变形温度的升高而增大,特别是在723K时迅速增大。合金在变形过程中发生了不同程度的动态再结晶,变形温度和变形速率对合金再结晶组织有明显的影响。根据实验分析,合金的热加工宜在673～723K范围内进行。     

聚苯基单醚喹噁啉薄膜的性能与物理老化

研究了物理老化对聚苯基单醚喹啉薄膜的结构与力学性能的影响 .用差示扫描量热计 (DSC)及正电子湮没寿命谱 (PALS)方法表征了两种不同物理老化条件试样的凝聚结构以及自由体积的差别 .结果表明 ,物理老化使聚苯基单醚喹啉薄膜玻璃化转变温度移向高温 ,在其末端出现热焓吸收峰 ,分子链堆砌紧密使自由体积减小 ,分子可动性降低 .用动态力学分析 (DMTA)以及静态拉伸性能测试等方法研究了两类试样的力学性能 ,结果表明 ,物理老化后 ,试样的动态储能模量稍有增加 ,力学损耗降低 .而静态拉伸实验的断裂应变降低 ,屈服应力增加 ,断裂能降低 ,试样在宏观上由韧性断裂变为明显的脆性断裂 .     

Mg-9Gd-2Nd-0.8Al合金热压缩行为及热加工图

采用光学显微镜、扫描电镜研究了铸态和均匀化态的Mg-9Gd-2Nd-0.8Al合金的显微组织,然后用Gleeble-1500D热模拟试验机对均匀化态合金在变形温度350～500℃,应变速率0.003～1 s^-1条件下进行了热压缩实验,计算了合金的变形激活能,构建并分析了合金的本构方程和热加工图。结果表明：铸态Mg-9Gd-2Nd-0.8Al合金主要由α-Mg基体和Mg₅Gd,Mg₄₁Nd₅,Al₂RE相组成,经均匀化处理后(510℃×12 h),Mg₅Gd和Mg₄₁Nd₅相基本溶解,Al₂RE相保持稳定。均匀化态合金的流变应力曲线表现出动态再结晶的特征,其流变应力和峰值应力随温度的升高或应变速率的降低而显著降低,合金的变形激活能为185.836 kJ·mol^-1。合金在本实验的变形条件范围内存在两个失稳区：变形温度350～375℃,应变速率0.003～0.012 s     

聚对苯二甲酸乙二酯非晶态膜片单轴热——拉伸中的结晶与松弛

用动态力学损耗温度谱作为测试手段,研究了非晶态PET膜片在78—112℃温度范围内的单轴拉伸。实验结果说明,在较低温度下所得结晶的拉伸试样,完全由于应变诱发结晶,发生在应力-应变曲线的屈服后应力开始上升的阶段。在较高温度下(90℃或更高)拉伸可得非晶态而且光学各向同性的试样,是由于分子链的小尺度取向在拉伸过程中已完全热松弛所致,而分子链的大尺度取向要通过高弹态流动而松弛,其速率较慢,用拉伸后试样两端固定时的应力松弛进行了观察。在较低温度下应力松弛后仍为非晶态,在较高温度下应力松弛到起始应力的1O％下才开始结晶。FTIR研究表明在这种状态下的结晶有一结晶诱导期,其时间尺度与应力松弛阶段相当。     

聚类分析橡胶炭黑填充量与Yeoh模型参数的关联

为了探索橡胶炭黑填充量和Yeoh模型参数的关联,提出一种利用聚类分析对不同填充量参数的分类方法。本方法基于三参数Yeoh模型拟合炭黑填充橡胶的单轴拉伸应力应变曲线,从而得到3个准确描述力学性能的参数C_(10)、C_(20)和C_(30)。利用聚类的方法对参数进行无监督分类,聚类数设置为3～8,以探究不同类别对结果的影响。结果表明,所有类别的准确率均在60%以上,其中聚5类时填充分数划分最均匀,准确率达到84%,验证了利用聚类分析模型参数对不同炭黑填充量分类方法的可行性,即已知炭黑填量时就能够预测本构模型参数,给出相应的应力应变曲线。     

高锆含量Cu-1%Zr-0.15%Ce合金热变形行为研究

利用Gleeble-1500D热模拟机,在温度为550,650,750,850,900℃,应变速率为0.001,0.01,0.1,1,10 s~(-1)的条件下,对Cu-1%Zr-0.15%Ce合金的高温变形过程中的流变应力进行研究,分析了动态再结晶的演变机制。结果表明:变形温度和应变速率对合金的流变应力有显著的影响,在550~750℃之间具有典型的动态回复特征,850~900℃具有动态再结晶热变形特征。通过流变应力、应变速率和变形温度之间的关系,建立高温热变形流变应力本构方程,得到合金的热激活能为430.51 k J·mol~(-1),与纯铜热压缩变形过程相比,高Zr含量Cu-1%Zr-0.15%Ce合金热激活能提高了105%。     

非交联组份对端乙烯基聚环氧丙烷/聚苯乙烯网状共聚物粘弹性的影响

本文描述了端乙烯基聚环氧丙烷/聚苯乙烯网状共聚物的合成及表征。研究了非交联组份对共聚物的玻璃化转变温度T_g,贮能模量E'、耗能模量E'和阻尼系数tanδ等动态力学性能的影响,计算了试样的粘弹性参数。结果表明,非交联组份对交联网有明显塑化作用,使其T_g降低,自由体积分数和阻尼系数增大。     

聚合物熔体壁面滑移的流变研究

用平行板流变仪研究了聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基乙烯基硅氧烷(PMVS)、 高密度聚乙烯(HDPE)及聚丙烯(PP)的壁面滑移, 考察了应力/应变数据对平行板的间距依赖性. 稳态剪切流实验结果表明, 相对于HDPE, PMVS的滑移似乎没有临界剪切应力. 动态剪切实验结果表明, 在不同的间距下, 随着应变增大, 剪切应力数据在小振幅和非线性区前期重合, 然后在某一应变处发生分叉, 即剪切应力依赖于间距, 说明发生了壁面滑移或应变不均匀. 按照Cho等提出的应力分解方法, 在分叉点将剪切应力分解为弹性应力和粘性应力后, 考察了影响壁面滑移发生的可能因素. 发现对于4种聚合物熔体, 当发生壁面滑移或应变不均匀现象时, 存在一个无量纲参数τ'max/|G*|, 即最大弹性应力与线性区复数模量的比值在0.26~0.49范围内变化. 在此范围内, 该参数随角频率的增加而缓慢下降, 而且在较大的温度范围内几乎不依赖于温度. 因而弹性应力是导致聚合物熔体壁面滑移或应变不均匀的关键因素.     

甲壳胺─聚氨酯复合膜的界面粘合研究

测定了甲壳胺─聚氨酯复合膜的静态和动态力学性能，并根据两单组分膜和复合膜的应力－应变行为判断复合膜界面粘合的牢固性。讨论了聚氨酯多孔膜与甲壳胺膜，以及聚氨酯预聚体与甲壳胺膜的粘合机理，并从动态力学性能的测试结果得以证实。     

振动注塑PP的拉伸蠕变研究

分别通过改变机械振动注塑机的频率(5~25 Hz)和压力(10~18 MPa)获得不同条件下成型的PP样条,然后在各种成型条件下的PP样条上分别施加相同的拉伸力(F=125 N),进行24 h拉伸蠕变实验.结果表明,在相同的振动频率(10 Hz)和不同的振动压力下成型的PP试样,其24 h蠕变量随着压力的增大而减小;在相同振动压力(12 MPa)和不同的振动频率下成型的PP试样,其24 h蠕变量随着频率的增大而增大.当振动频率达到f=10 Hz的时候,其24 h拉伸蠕变量的变化趋于平缓.同时,也对不同振动条件下注塑的PP试样进行拉伸实验,冲击实验和动态力学性能测试,讨论了成型条件对性能的影响.     

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。     

锂瓷石粉或硼砂增强陶瓷化硅橡胶复合材料的制备与性能

以硅橡胶为基体、锂瓷石粉和硼砂为烧结助剂,采用机械共混法,制备了具有陶瓷化防火功能的硅橡胶复合材料。通过力学测试、热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征了该材料的结构、力学性能和烧结性能,研究了锂瓷石粉和硼砂对陶瓷硅橡胶复合材料性能的影响。结果表明:通过在体系中添加锂瓷石粉和硼砂,提高了硅橡胶复合材料的力学性能,降低了陶瓷化硅橡胶复合材料的起始分解温度,加快了烧结反应进程。当锂瓷石粉与硅橡胶的质量比为5∶100时,硅橡胶复合材料的综合力学性能最好,拉伸强度、断裂伸长率,撕裂强度分别提高了15.6%、34.8%、2.3%,添加锂瓷石粉的陶瓷复合材料经过烧结,能够形成均匀的陶瓷化整体结构,比添加硼砂的陶瓷化硅橡胶复合材料具有更好的烧结性能。     

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.     

Cu-0.8Mg-0.15Ce合金热变形行为与机制研究

通过Gleeble-1500D热模拟试验机,进行了Cu-0.8Mg-0.15Ce合金的等温压缩试验,变形温度范围为500～850℃,变形速率范围为0.001～10 s~(-1)。研究了不同条件下流变应力的变化规律、合金的热加工图以及合金变形机制,分析了变形温度、变形速率和流变应力之间的关系。结果表明:合金在热变形过程中,其真应力-真应变曲线表现出明显的加工硬化、动态回复和再结晶特点,随着变形温度的升高和变形速率的降低,其流变应力和峰值应力不断降低;可用双曲正弦本构关系来描述热变形过程中的流变应力,计算出合金热变形过程中的激活能为Q=281.47 kJ·mol~(-1),在此基础上构建了该合金的本构方程;合金在热变形过程中的最优加工参数为:变形温度800～850℃,变形速率0.001～0.1 s~(-1)。     

Cu-0.4Zr-0.15Ce合金热压缩力学行为及热加工图

Cu-0.4Zr-0.15Ce合金在Gleeble-1500D热模拟试验机上进行高温等温压缩试验以探讨其在高温热压缩过程中的变形行为,变形温度和应变速率分别为550~900℃和0.001~10 s-1。结果表明:合金的流变应力随变形温度的升高而减小、随应变速率的提高而增大,在热压缩过程中发生了动态回复和再结晶。根据动态材料模型绘制该合金的热加工图并加以分析,结合微观组织演变规律,可确定该合金热变形过程的最佳工艺参数为:变形温度800~900℃,应变速率范围0.001~0.1 s-1。     

CSP工艺条件下稀土对低碳结构钢热轧过程中再结晶行为的影响

为研究稀土在CSP连续轧制过程中对低碳结构钢再结晶行为影响,采用Gleeble-1500热模拟机,对加稀土和未加稀土的低碳结构钢进行了单道次、双道次热压缩实验,并且对加稀土和未加稀土的低碳结构钢进行CSP工艺的模拟,比较金相照片及真应力-应变曲线。实验结果表明:稀土提高了低碳结构钢的动态再结晶临界应变εD,在一定温度下降低静态软化率;并且在CSP热轧过程中采用加入稀土的方法,最终获得较未加稀土试样更为细小的晶粒组织。