综述：聚合收缩与收缩应力测试方法研究进展

光聚合是材料固化和加工的一种常见方式,其凭借反应迅速、时间空间可控、经济环保等优点,在工业生产领域有着广泛的应用。然而,在实际使用中,材料的本征聚合收缩受到周围刚性基质的约束,在材料内部以及材料与基质交界面处会产生不利的聚合收缩应力,从而严重影响材料的使用寿命。因此,如何准确测量材料的本征聚合收缩及受约束下的收缩应力,实现对聚合收缩应力的主动控制,是提高光聚合材料服役质量和寿命的关键所在。本文首先介绍了材料聚合收缩与收缩应力产生和发展的机理;然后详细综述了国内外聚合收缩与收缩应力的测量方法,并重点介绍了集悬臂梁、近红外光谱和热电偶于一体的光聚合动态多参量耦合测试平台,利用该平台可以实现对聚合收缩、收缩应力和温度的简便一体化测量;最后对改善聚合收缩与收缩应力的测试方法进行展望,以便为相关的理论研究和实验设计提供参考。     

光固化复合树脂聚合收缩的测试研究

在临床中,牙体修复材料的固化收缩是造成牙体修复失败的主要原因.在本次研究中,利用光测力学中电子散斑测试技术,来测量牙体修复材料的聚合收缩情况.在实验中,利用电子散斑实时、无接触的特点对牙体修复材料的固化收缩进行监测.通过对牙体修复材料固化收缩的测量与研究,可提示各种可能减少收缩应力或使收缩应力分布更加均匀的方法,从而减少临床上由于收缩应力而造成修复失败情况的发生.特别地,本次实验对牙体修复材料收缩时引起的牙体变形也作了研究.     

冷等离子体在聚合物化学中的应用

等离子体化学是等离子体技术与化学相互渗透结合而产生的一门新兴学科.借助等离子体中的能量粒子和活性成份所产生的物理和化学过程、引发单体聚合、处理固体表面和沉积薄膜,从而获取新材料和开发老材料,是近十多年来引入注目的方面.也是等离子体化学的主要组成部分--聚合物化学.     

光弹法实测正交异性双材料界面裂纹断裂参数

采用光弹贴片法实测正交异性双材料界面裂纹尖端区域的应力应变场, 进而求出界面裂纹的断裂力学参量. 将正交异性双材料板加工成拉伸试件,在聚碳酸酯贴片 的单侧表面镀金属铝膜,以提高贴片的反射效率. 沿贴片后的双材料界面预制裂缝,逐渐加 大载荷,得到一系列清晰的等差线条纹图. 利用正交异性双材料界面裂纹尖端应力分量表达 式计算出应力强度因子. 实验表明,光弹贴片法可有效地分析正交异性双材料界面裂纹问题.     

PTFE/Al含能复合材料的压缩行为研究

金属/氟聚合物含能复合材料是一类新型的高级含能材料.研究了室温下Al含量和应变率对PTFE/Al含能复合材料压缩性能和反应性能的影响,所加载的应变率为6×10-3s-1～8×103s-1.材料压缩性能的应变率效应明显:与静态加载相比,动态加载下材料模量和强度明显提高,但应变降低.材料的损伤过程主要包括塑性变形、开裂和反应3部分.随着Al含量的增加,材料准静态和动态压缩强度均呈先升后降的趋势,在Al含量为35%时达到最高值102.6 MPa和154 MPa;引发反应所需加载的应变率增加,但对应的应力值差别不明显,基本在165 MPa左右,材料引发后反应完全性降低.     

界面上应力波传播规律的动态光弹性试验研究

采用动态光弹性方法,对应力波在杆-杆和板-板双材料连接界面上的反射和透射传播规律展开研究．通过对双材料粘接模型施加冲击载荷作用,采集和分析等差线条纹,计算出最大剪应力值．对于两种试验模型应力波在界面上都以透射为主,对应力波的阻隔作用不明显,这与接触式界面对应力波有较强的阻隔作用有较大区别,在应用界面减弱应力波的作用时应注意区分．试验结果与理论计算结果基本保持一致,并由此证明采用动态光弹性法研究应力波在界面上传播规律的可行性．     

The study on the compressive behavior of ptfe/al energetic composite

金属/氟聚合物含能复合材料是一类新型的高级含能材料. 研究了室温下Al含量和应变 率对PTFE/Al含能复合材料压缩性能和反应性能的影响,所加载的应变率为6\times 10^{-3}s^{-1}\sim8\times 10^{3}s^{ -1}. 材料压缩性能的应变 率效应明显：与静态加载相比,动态加载下材料模量和强度明显提 高,但应变降低. 材料的损伤过程主要包括塑性变形、开裂和反应3部分. 随着Al含量的增 加,材料准静态和动态压缩强度均呈先升后降的趋势,在 Al含量为35\%时达到 最高值102.6 MPa和154 MPa; 引发反应所需加载的应变率增加,但对应的应力值 差别不明显,基本在165 MPa左右, 材料引发后反应完全性降低.     

涂层/基体体系的界面应力分析

针对热防护涂层的承载特征,建立了涂层、基体体系的平面应变模型.以均匀应变差比拟热膨胀失配,基于最小功原理,推导了完整涂层/基体界面应力的级数解.分析结果表明,在自由端面附近,界面应力集中明显,其峰值达到了与涂层内拉应力相当的量级.涂层膨胀或收缩,界面正应力分别呈现压应力或拉应力状态,界面剪应力也发生方向交变.     

半平面双材料角界面应力奇异性分布规律的探究

论文对半平面双材料角受集中力问题的界面应力场作了深入的探究,特别着重于双材料角端点附近的界面应力的奇异性分布规律.论文通过对界面应力的严格解和渐近解[16]的比较,发现在双材料角界面端点邻近,严格解和渐近解的差是一个向端点衰减的微幅震荡分布的应力.这个向端点衰减的微幅震荡应力的起始点,称为转换点.自界面端点到转换点,严...     

考虑损伤效应的双层结构界面蠕变应力分析

针对导致多层结构失效的界面应力问题,利用 ABAQUS 大型有限元程序,对比分析了线弹性、蠕变、蠕变-损伤条件下 Silicon/Epoxy 双层材料受到温度载荷作用时界面切应力和界面剥离应力的分布规律.分析结果表明:蠕变-损伤分析所得到界面切应力和界面剥离应力的结果要比线弹性有限元及蠕变有限元分析的结果小,其中线弹性分析得到的结果是三者中最大的;最大损伤出现在双层结构的界面边缘处,且损伤随着两种材料之间弹性模量差别的增大而增大;损伤沿界面的分布规律与界面剥离应力沿界面的分布规律类似.     

考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化. 为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型. 首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响. 结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.      

界面强度对玻璃微珠填充聚丙烯力学性能的影响

本文针对玻璃微珠填充聚丙烯这一刚性粒子填充聚合物复合体系进行了实验研究。通过偶联剂改性对比,研究了该聚合物复合材料在不同界面粘结状态下的宏观拉伸、冲击力学性能。此外,根据冲击破坏断面的电镜观测结果,发现复合体系的断裂和增韧机制随界面粘结强度不同而发生改变,界面改性使得材料抗冲击破坏能力得到增强。本文还采用在位拉伸过程中的细观观测方法,观测到材料在一维应力作用下,刚性粒子和基体界面的脱粘、开裂过程,分析了该复合体系细观结构和宏观力学性能之间的关系,发现界面改性对于材料细观结构的界面脱粘和宏观屈服现象的重要影响,为发展新型复合材料提供了实验依据。     

数字化光处理立体成型技术中吸附力的影响机制

数字化光处理(digital light processing, DLP)立体成型技术是一类重要的树脂光固化增材制造技术, 具有成型速度快、精度高等优点, 但其成型区液态树脂薄层的巨大吸附力限制了成型速度的提高. 目前研究集中于树脂槽成型窗口和打印工艺的改进, 对吸附力机理缺乏了解. 本文建立耦合树脂流动、自由基光聚合反应及固化相变的多物理场模型并通过数值求解, 研究了成型区树脂液膜在传质、光聚合、固化沉积、氧阻聚等共同作用下的演化过程, 发现固?液界面呈现出稳定的非均匀波浪衰减形貌, 液膜厚度极小且在边界处波动剧烈, 这不同于以往研究中的均匀界面假设. 讨论了打印速度、氧气浓度分布、紫外光强等因素对界面形貌以及吸附力的影响. 结果表明, 提高外界氧浓度、降低光照强度均能有效降低吸附力, 但会显著影响成型精度. 进一步提出调整紫外光强分布能改善界面形貌的不均匀性, 是降低吸附力、提高打印速度的一种有效措施. 本文对研究不同类型的树脂光固化增材制造技术具有重要的借鉴意义.      

瞬态热冲击下层合材料板界面的热弹性行为

基于带有两个热松弛时间的G-L广义热弹性理论, 利用有限元方法研究了零阻抗理想界面层合板在瞬态热冲击诱导的位移、应力和温度等通过界面时的热弹性行为. 通过比较不同层中材料的比热容、热导系数、热松弛时间和密度等对界面处的位移、应力和温度的影响, 研究了不同材料参数对复合材料热力学行为影响, 发现不同材料参数将导致热穿过界面时界面处温度、位移和应力发生突变, 研究结果可以为由热引起的层合板挠曲变形提供理论依据.      

有限尺寸下双材料界面附近裂纹位置对裂纹尖端的影响

随着复合材料的应用和发展,不同材料组成的界面结构越来越受到人们的重视。界面层两侧材料的性能相异会引起材料界面端奇异性,同时界面和界面附近存在裂纹会引起裂尖处的应力奇异性。因此双材料界面附近的力学分析是比较复杂的。本文建立双材料直角界面模型,在材料界面附近预设初始裂纹,计算了有限材料尺寸对界面应力场及其附近裂纹应力强度因子的影响。运用弹性力学中的 Goursat 公式求得直角界面端在有限尺寸下的应力场以及其应力强度系数。通过叠加原理和格林函数法进一步得到在直角界面端附近的裂纹尖端应力强度因子。计算结果表明,在适当范围内改变材料内裂纹与界面之间的距离,界面附近裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹与界面距离的增加而减少,并且逐渐趋于稳定。分析结果可以为预测双材料结构复合材料界面失效位置提供参考。     

位错偶极子和Ⅲ型界面裂纹的干涉效应

研究了多晶体材料中螺型位错偶极子和界面裂纹的弹性干涉作用.利用复变函数方法,得到了该问题复势函数的封闭形式解答.求出了由位错偶极子诱导的应力场和裂纹尖端应力强度应子,分析了偶极子的方向,偶臂和位置以及材料失配对应力强度因子的影响.推导了作用在螺型位错偶极子中心的像力和力偶矩,并讨论了界面裂纹几何条件和不同材料特征组合对位错偶极子平衡位置的影响规律.结果表明,裂纹尖端的螺型位错偶极子对应力强度因子会产生强烈的屏蔽或反屏蔽效应.同时,界面裂纹对螺型位错偶极子在材料中运动有很强的扰动作用.     

含界面效应纳米尺度圆环形涂层中螺型位错分析

研究了纳米尺度圆环形涂层(界面层)中螺型位错与圆形夹杂以及无限大基体材料的干涉效应.涂层与夹杂的界面和涂层与基体的界面均考虑界面应力效应.运用复势方法,获得了三个区域复势函数的解析解答.利用求得的应力场和Peach-Koehler公式,得到了作用在螺型位错上位错力的精确表达式.主要讨论了界面应力对涂层(界面层)中螺型位错运动和平衡稳定的影响规律.结果表明,界面应力对界面附近位错的运动有大的影响,由于界面应力的存在,可以改变涂层内位错与夹杂/基体干涉的引斥规律,并使位错在涂层内部产生三个稳定或非稳定的平衡点.考虑界面效应后,有一个额外的排斥力或吸引力作用在位错上,使原有的位错力增加或减小.     

圆柱形界面相裂纹在扭转载荷作用下的动态断裂

本文研究了位于界面相中的圆柱形界面裂纹的扭转冲击问题.采用Laplace、Fourier变换和位错密度函数将混合边值问题转化为求解Cauchy核奇异积分方程,利用Laplace数值反演技术计算了动态应力强度因子.讨论了材料特性和结构的几何尺寸对动态应力强度因子的影响.结果表明,随着界面相厚度的增加,无量纲化的动态应力强度因子减小.当裂纹靠近剪切弹性模量大的材料时,无量纲化的动态应力强度因子增大,反之减小.界面相两侧不同的材料组合对裂尖动态应力强度因子的影响是随着剪切弹性模量和质量密度的比值的增加而减小.界面相中裂纹长度对裂尖动态应力强度因子的影响比其他因素的影响大.     

双材料应力分析中的镜像点方法

提出一种分析各类双材料中任一点受集中力作用问题的方法.通过将结合界面或其自由表面看作镜面,将应力函数或位移函数设定成固定于受载点及其镜像点上的局部坐标系下的形式,利用界面连续条件和Dirichlet的单值性原理,所有应力函数或位移函数就可由无限体中集中力的解或半无限体表面集中力的解的应力函数求得.这种方法不仅可适用于单一界面的情况,也可使用于多个界面并存的情况,并且也可适用于具有自由表面的结合材料.这一方法可应用于各类结合材料、涂层薄膜材料、板材等.     

基于分子动力学的结合材料界面破坏准则

结合材料的破坏通常都是从界面或其附近发生的,但界面破坏的机理及其评价准则尚未十分清楚.采用分子动力学模拟方法,可以对结合材料的界面破坏过程进行模拟,从而获得结合材料的界面应力和界面破坏之间的关系.界面破坏可以分为奇异应力场作用下的破坏,和界面应力集中引起的破坏两种.虽然在分子动力学模拟中采用了高度简化的界面模型,但对界面破坏过程的模拟,仍可以帮助人们获得结合材料界面破坏过程的规律性认识.分别模拟远场作用下界面上存在初始裂纹和界面附近存在初始裂纹两种情况下的界面破坏,根据分子动力学模拟结果,提出了一个结合材料界面破坏的准则.