《熱-光-磁耦合刺激下形狀記憶聚合物的變形機理研究》是依託西安交通大學，由劉子順擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：熱-光-磁耦合刺激下形狀記憶聚合物的變形機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉子順
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
形狀記憶聚合物在適當的刺激回響下(例如熱、光、磁等)可以從一個暫態形狀恢復為初始形狀。目前國內外有關形狀記憶聚合物的本構模型，不僅複雜，而且與實驗結果相差較大，不能有效地描述形狀記憶聚合物的形狀記憶行為。本項目擬通過理論、數值和實驗相結合的手段，構建並完善形狀記憶聚合物在多場耦合作用下的本構關係，然後建立多場耦合作用下形狀記憶聚合物的數值計算方法，開發相應的有限元子程式庫，最後利用數值模擬與實驗方法設計新型功能材料，並揭示其變形機理。本項目的研究旨在發展完善形狀記憶聚合物的理論和研究方法，為形狀記憶聚合物更廣泛的實際套用奠定理論基礎，對形狀記憶聚合物變形機理的深入研究具有重要的科學意義。
結題摘要
隨著軟機器和生物醫學等領域科學技術的不斷發展和進步，軟物質力學的研究已成為力學學科的一個重點研究方向。作為一類典型的智慧型材料，形狀記憶聚合物 (Shape Memory Polymers，即SMP)，因其具有眾多優異特性及廣闊套用潛能激發了人們對它的研究興趣。本項目對熱-光-磁刺激下形狀記憶聚合物的變形機理及變形特性進行了深入的研究。 在本構模型研究方面，我們首先建立了SMP的粘彈性本構模型。這種粘彈性模型雖然很簡單，卻能有效地描述SMP的形狀記憶行為和粘彈特性。然而，這兩種粘彈性模型卻沒有一個明確的物理意義。所以我們又建立了一個相變本構模型並考慮了相變速率的影響。該相變本構模型不僅能定量地描述SMP的形狀記憶行為，還能體現聚合物材料的相變過程。但相變模型並不能描述SMP的粘彈性特性。為了克服上述兩種模型的不足，我們將粘彈性法和相變法結合起來建立了兩種新型的本構模型。這兩種模型可以適用於不同種類的SMP，且適用於研究大變形行為，還能充分體現應力鬆弛、機械應變凍結、熱變形及模量隨溫度的變化。 在數值模擬計算方面，我們基於上述提出的一系列的本構模型建立了UMAT子程式庫，可以直接在ABAQUS中調用並實現SMP的形狀記憶循環。有限元模擬結果和理論計算、實驗結果都能很好地吻合。我們還基於開發的有限元子程式研究了SMP以及其複合結構的屈曲失穩、熱力學和動力學問題。 在實驗和套用探索方面，我們首先採用DMA動態熱分析儀等對不同種類的形狀記憶聚合物的熱力學性能進行了測試，確定了我們本構模型中的材料參數。其次，我們對SMP血管支架的可行性進行了分析，並研究了加熱速率和恢復溫度對SMP支架擴展的影響。此外，我們還設計了一種基於熱致形狀記憶聚合物可重複使用的機械手。這個機械手具有輕便靈活，抗腐蝕能力強的特點，還能克服“硬機器”因夾持力過大可能對夾持物品所造成的破壞問題。 本研究課題的相關成果為早日實現形狀記憶聚合物的大規模商業套用奠定了基礎。
