聚合物基复合材料粘弹特性及应力松弛机理研究项目摘要

聚合物基复合材料在航空航天、交通运输等领域应用十分广泛。其粘弹性力学行为因受组分比例、微观结构及其组分间相互作用等因素的影响而变得十分复杂，是目前该领域研究的热点和难点。开展该方面的研究，并揭示其不同条件下的应力松弛规律，具有较高的科学意义和工程应用价值。本项目从复合材料粘弹性实验测试入手，建立新的粘弹性表征方法，揭示其应力松弛机理；在通用单胞模型的基础上，建立一种新的细观力学粘弹性理论模型和相应的显式数值分析方法，描述复合材料粘弹性应力松弛的一般演化规律；通过复合材料和基体材料的粘弹性松弛规律的对比，建立表征复合材料粘弹性属性的逆向反推力学模型；利用复合材料应力松弛实验，研究不同工艺制造的复合材料结构件的应力松弛规律。通过本项目的研究，期望在复合材料粘弹性实验表征方法、细观力学模型、组分粘弹性影响规律及复合材料结构应力松弛机理等方面获得创新成果，为其在工程中广泛应用提供理论和技术指导。

纤维增强树脂基复合材料在航空航天、交通运输等领域应用十分广泛，其粘弹性力学行为因受组分比例、微观结构及其组分间相互作用等因素的影响而变得十分复杂，开展该方面的研究，并揭示其不同条件下的应力松弛规律，具有较高的科学意义和工程应用价值。本项目从复合材料粘弹性实验测试入手，建立了新的粘弹性表征方法，揭示了其应力松弛机理；在通用单胞模型的基础上，建立了一种新的细观力学粘弹性理论模型和相应的显式数值分析方法，描述了复合材料粘弹性应力松弛的一般演化规律；在分析复合材料和基体粘弹性行为的基础上，提出了一种新的表征复合材料粘弹性属性的逆向反推模型，揭示复合材料细观组分与宏观粘弹性力学性能之间的内在关系。利用实验和数值方法，研究了复合材料结构件的力学行为及其应力松弛机理，项目成果可以为树脂基复合材料的工程化应用提供理论和技术指导。 2100433B

以往对气管软骨力学特性研究多以动物气管软骨和一维拉伸实验居多，对人气管软骨应力松弛粘弹性力学特性研究较少。生物材料的粘弹性主要以应力松弛蠕变为表现形式，应力松弛是软组织在恒应变作用下，对载荷松弛适应性的反应，虽然机制尚不清楚，但气管软骨的应力松弛力学特性对于认识吻合口张力，确定气管损伤后的张力临界点具有重要意义。

气管由于炎症、肿瘤、损伤等疾患需要进行气道再建，现代呼吸道(气道)外科手术对气管病变不超过1/2程度，可切除病变部位气管后直接缝合吻接，修复和重建气管的功能。当气管切除超过其直接的吻合长度，则需要置换人工气管。鉴于临床实际需要，孙长江等对正常国人尸体气管软骨进行了应力松弛实验，得出了气管软骨7200s应力松弛量，得出了应力松弛曲线和归一化应力松弛函数曲线。以一元线性回归分析的方法处理实验数据，得出了应力松弛函数方程。研究以制备的显影聚合物有机溶液作为栓塞材料进行体外模拟实验，筛选最佳条件为下一步的动物试验和临床试验提供了依据，筛选出的最佳条件为:聚合物浓度4%，推注速度为0.10ml/min，完全栓塞时及时停止推注。该工作也体现出本显影聚合物可以达到栓塞的目的，可作为一种新的非粘附性液体栓塞材料使用 。2100433B

黄远红等研究了温度、湿度、初始应变量对娃橡胶泡沫材料应力松弛过程的影响。谢邦互等利用时温等效原理，通过平移叠加方式将硬质聚氯己妇材料各温度下的屈服强度与拉伸速率倒数的关系曲线转换为相应的主曲线，并以此评价了该材料的长期耐压行为。除此之外，研究人员还针对不同材料进行了应为松弛模型相关研究：王必勤等采用四元件Maxwell模型，成功对不同密度EPDM发泡材料应力松弛过程进行拟合，结果发现泡沫材料的松弛时间与表观强度与其发泡水平有关。陈艳等借助于分数阶Maxwell模型拟合了PTFE材料的松弛模量。常鹏鹏等利用二阶指数衰减函数对GH4169的合金不同温度应力松弛实验数据展开拟合，并分别求得其材料常数。肖五柱等以Norton蠕变法则为基础，提出实验手段确定材料应力松弛参数的两种思路。第一种方法是通过单次松弛实验直接求得材料应力指数，第二种方法利用多条应力松弛曲线获取材料应力指数。杨忠慧等在kowalewski蠕变模型基础上确立了7055铅合金蠕变时效模型，并利用遗传算法对其材料参数进行求解。郭进全等采用实验方法研究了国产螺栓材料应力松弛过程与温度以及初始载荷的关系，并分别采用Hook-Norton，广义Maxwell，Logistic等模型试图对其进行描述 。

如今，越来越多研究人员认为蠕变和应力松弛之间存在某种联系。蠕变是应力一定情况下，应变缓慢増加的过程，应力松弛现象可以看成是从高到低不同应力水平下的蠕变，应力松弛的第一部分和第二部分分别对应于蠕变过程的初始蠕变和稳态妇变。建立蠕变和应力松弛的转换模型，不仅可降低蠕变和松弛实验的时间成本，用易测量的材料形变代替不易测量的材料内部应力，还可用材料的蠕变实验数据直接推导出应为松弛特性.。

材料在高温使用时，有时要使总应变保持不变。在高温保证总应变不变的情况下，会发生应力随着时间延长逐渐降低的现象．该现象叫应力松弛(stress relaxation)，如图1所示。例如，高温条件工作的紧固螺栓和弹簧会发生应力松弛现象。

材料的总应变ε包括弹性应变ε_e和塑性应变ε_p，即ε=ε_e ε_p=常数。

随着时间增长，一部分弹性变形逐步转变为塑性变形，材料受到的应力相应地逐渐降低。ε_e的减小与ε_p的增加是同时等量产生的。

蠕变与应力松弛在本质上相同，可以把应力松弛看作是应力不断降低的“多级”蠕变。蠕变抗力高的材料，其抵抗应力松弛的能力也高。但是，目前使用蠕变数据来估算应力松弛数据还是很困难的。某些材料即使在室温下也会发生非常缓慢的应力松弛现象，在高温下这种现象更加明显。松弛现象在工业设备的零件中是较为普遍存在的。例如，高温管道接头螺栓需定期拧紧，以免因应力松弛而发生泄漏事故。