形状记忆聚合物的宏观力学本构模型

1、形状记忆高分子定义形状记忆高分子（形状记忆高分子（Shape Memory Polymer Shape Memory Polymer Shape Memory Polymer））SMP 材料是指具有初始形状的制品，在一定的条件下改变其初始形状并固定后在一定的条件下改变其初始形状并固定后,,通过外界条件（如热、光、电、化学感应）等的刺激，又可恢复其初始形状的高分子材料。

2、记忆的过程SMP 记忆过程主要描述如下的循环过程： 2.1引发形状记忆效应的外部环境因素：物理因素：热能，光能，电能和声能等。

化学因素：酸碱度，螯合反应和相转变反应等。

2.2 状记忆高分子分类故根据记忆响应机理，形状记忆高分子可以分为以下几类故根据记忆响应机理，形状记忆高分子可以分为以下几类: :1）热致感应型SMP2）光致感应型SMP3）电致感应型SMP4）化学感应型SMP3、高分子的形状记忆过程和原理3.1形状记忆聚合物的相结构3.2产生记忆效应的内在原因需要从结构上进行分析。

由于柔性高分子材料的长链结构，分子链的长度与直径相差十分悬殊，直径相差十分悬殊，柔软而易于互相缠结，柔软而易于互相缠结，柔软而易于互相缠结，而且每个分子链的长短不一，而且每个分子链的长短不一，而且每个分子链的长短不一，要形成要形成规整的完全晶体结构是很困难的。

这些结构特点就决定了大多数高聚物的宏观结构均是结晶和无定形两种状态的共存体系。

如PE PE，，PVC 等。

高聚物未经交联时，一旦加热温度超过其结晶熔点，就表现为暂时的流动性质，观察不出记忆特性；高聚物经交联后，原来的线性结构变成三维网状结构，性结构变成三维网状结构，加热到其熔点以上是，加热到其熔点以上是，加热到其熔点以上是，不再熔化，不再熔化，不再熔化，而是在很宽的温度而是在很宽的温度范围内表现出弹性体的性质，如下图所示。

范围内表现出弹性体的性质，如下图所示。

3.3 形状记忆过程4、热致感应型形状记忆高分子定义：在室温以上一定温度变形并能在室温固定形变且长期存放，当再升温至某一特定响应温度时，能很快恢复初始形状的聚合物。

具有形状记忆功能高分子材料的研究进展摘要：本世纪以来，随着高分子合成以及改性技术与高分子学理论的迅猛发展，形状记忆高分子材料正快速地渗透到我们的日常生活中，成为了一种不可或缺的材料。

本文通过查阅相关的文献，对该材料的研究发展过程、应用现状进行综述。

形状记忆高分子材料种类丰富，本文将着重阐述热致型形以及光致型形状记忆高分子材料，最后并进行展望。

关键词：形状记忆，记忆效应，热致型，光致型Abstract：Since the beginning of this century, with the rapid development of polymer synthesis and modification technology and polymer theory, shape memory polymer materials are rapidly infiltrating into our daily life and become an indispensable material.Key words：s hape memory,memory effect,thermal induced polymer，photo induce polymer1 概述1.1 形状记忆高分子材料的概念判断一类高分子材料是否为形状记忆高分子材料，即在于看这类材料是否能产生记忆效应，这是形状记忆高分子材料最核心的本质。

一高分子聚合物在起初被赋予一定的形状后，固定其形状得到它的“初始态”。

随后对其施加一定的外力，让它产生变形，偏离其“初始态”时所固定的形状，而后进行加热、光照、电磁等外界刺激后，此时该高分子聚合物便可回复至“初始态”时的形状，此即为形状记忆高分子材料。

根据外界刺激条件的差异，形状记忆高分子材料可分为热致型、光致型、电感应型、化学感应型等类型，种类和应用技术手段都比较丰富。

[1]形状记忆高分子材料目前在医疗、纺织、军工领域都得到了广泛的运用，已经和我们的生活密切相关，尽管它的发展历史并不是很久远，并且目前在应用过程中也发现了存在着不少问题，但从目前的研究现状来看，该种材料拥有非常大的应用前景，很值得我们继续探索，发挥它最大的潜能。

形状记忆合金的本构模型及试验研究一、本文概述本文旨在深入研究和探讨形状记忆合金（Shape Memory Alloys，简称SMAs）的本构模型及其相关试验研究。

形状记忆合金作为一种特殊的材料，具有独特的形状记忆效应和超弹性，因此在航空航天、医疗器械、智能结构等多个领域具有广泛的应用前景。

本文首先将对形状记忆合金的基本特性进行简要介绍，包括其形状记忆效应、超弹性以及相变行为等。

接着，本文将重点阐述形状记忆合金的本构模型。

本构模型是描述材料力学行为的重要工具，对于形状记忆合金而言，其本构模型需要考虑材料的相变行为、温度效应、应变率效应等多个因素。

本文将详细介绍几种常用的形状记忆合金本构模型，包括基于热力学原理的本构模型、基于细观力学的本构模型以及基于神经网络的本构模型等，并对它们的优缺点进行比较和分析。

在试验研究方面，本文将介绍相关的形状记忆合金试验方法和实验结果。

试验内容包括材料的相变行为测试、力学性能测试、形状记忆效应测试等。

通过对试验数据的分析和处理，可以验证本构模型的准确性和可靠性，并为形状记忆合金的应用提供理论支持和实践指导。

本文将对形状记忆合金的未来研究方向和应用前景进行展望。

随着科技的不断发展，形状记忆合金的应用领域将会更加广泛，对其性能的要求也将更加严格。

因此，深入研究形状记忆合金的本构模型和试验特性，对于推动其应用和发展具有重要意义。

二、形状记忆合金的基本特性形状记忆合金（Shape Memory Alloys，简称SMA）是一类具有独特形状记忆效应的金属材料。

它们在经历一定的塑性变形后，能够在适当的热或机械刺激下恢复到原始形状。

这种特性使得形状记忆合金在航空航天、医疗器械、汽车工程等领域具有广泛的应用前景。

形状记忆效应：形状记忆合金最为突出的特性是其能够在一定条件下恢复原始形状。

这种效应主要源于合金内部发生的马氏体相变。

当合金受到外力作用而发生塑性变形时，其内部会发生马氏体相变，形成稳定的马氏体结构。

博士学位论文形状记忆聚合物的力学性能分析及其智能模具制备MECHANICAL BEHAVIOR ANALYSIS AND SMART MANDRELS FABRACATION BASED ON SHAPE MEMORY POLYMERS杜海洋哈尔滨工业大学2017年9月国内图书分类号：TB332 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开工学博士学位论文形状记忆聚合物的力学性能分析及其智能模具制备博士研究生：杜海洋导师：刘彦菊教授申请学位：工学博士学科：固体力学所在单位：航天学院答辩日期：2017年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TB332U.D.C: 621Dissertation for the Doctoral Degree in EngineeringMECHANICAL BEHAVIOR ANALYSIS AND SMART MANDRELS FABRACATION BASED ON SHAPE MEMORY POLYMERSCandidate：Du HaiyangSupervisor：Prof. Liu YanjuAcademic Degree Applied for：Doctor of Engineering Speciality：Solid MechanicsAffiliation：School of AstronauticsDate of Defence：September, 2017Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology摘要复杂形状复合材料结构件以其比强度高、比刚度高、质量轻、容易大面积成型等优势，在航空航天、工业运输等领域发挥着越来越重要的作用。

通常复杂形状复合材料结构件的成型需要特定模具完成。

目前，复合材料成型中使用的模具包括：组合式金属模具、水溶性模具、橡胶气囊模具。

交联聚乙烯形状记忆过程中的形变回复与应变控制力学与工程科学系李鹰，郝雨指导教师霍永忠摘要：交联聚乙烯属于典型的结晶型聚合物，有比较明确的熔点，因而可以制备成形状记忆材料。

本文探究了形状记忆交联聚乙烯的形变回复的热收缩过程间应变控制的关系，验证了形状记忆聚合物流变模型的在恒定应变下部分性质。

关键词：形状记忆聚合物，交联聚乙烯，恒定应变Abstract: As a kind of tipical crystalline polymer, cross-linked polyethylene has a rather definitude melting point, thus it can be fabricated to be a shape-memory material. This paper studied the relationship between the deformation-recovery of shape memory cross-linked polyethylene and the control of strain during the thermal shrinkage-process, and examed some properties of the rheological model of shape-memory polymer under constant strain. Keywords: Shape-Memory Polymer, Cross-linked Polyethylene, Constant Strain引言能够在外界刺激下改变形状以达到预设状态的材料称为形状记忆材料。

目前为止，被发现的形状记忆材料主要包括形状记忆合金、形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷以及形状记忆凝胶等。

已知具有形状记忆效应的聚合物有：聚乙烯、聚氟、聚氯乙烯、聚氨酯、聚酯、聚乳酸、反式聚异戊二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物和交联乙烯-醋酸乙烯共聚物等。

形状记忆聚合物本构建模及其在智能结构分析中的应用形状记忆聚合物(SMP)作为一种新兴的具有形状记忆效应的高分子材料,在外力作用下能够改变自身形状并保持变形后的状态,当受到特定的刺激时,能可逆地恢复至起始形状。

SMP有变形量大,恢复率高,赋形容易,形状响应温度易调节和激励方式多样(热、湿、光、电、磁)等特点,因而成为目前热门的功能材料之一。

随着研究的深入,SMP在各类复杂感知器件、生物医疗、航空航天及其他智能装置领域得到广阔的应用。

SMP本构理论是反映材料力学性质的数学模型,其在记忆行为演变规律及预测、性能表征与评价和材料结构设计等方面具有重要作用。

本文主要对SMP材料的本构理论、有限元计算方法和智能结构(空间展开簧片,智能可逆隔膜和血管支架)展开研究,具体内容如下:(1)建立了一种SMP的三维热力学黏弹性本构模型,并进行了有限元实现。

将SMP的一维本构模型的总应变假设为机械应变、可逆应变和热应变的叠加,并给出各项应变的定义和方程表达式。

随后,将SMP的一维本构方程扩展为三维形式,编写了可供有ABAQUS调用的有限元程序(UMAT)。

利用有限元程序,对SMP的拉伸试件进行数值模拟,数值结果与实验数据吻合很好,验证了本构方程和有限元程序的正确性。

(2)基于聚氨酯类SMP的有限元程序,研究了空间可展开的SMP簧片的折叠变形和形状记忆效应,并对SMP簧片进行了优化设计。

对SMP簧片结构的正/反向折叠和自动展开过程进行了模拟,分析了结构参数和温度对折叠行为的影响,并研究了金属/SMP复合簧片正向和反向折叠过程。

以结构参数和温度为设计变量,展开驱动性能为目标,结构失稳弯矩为约束条件,通过全因子设计方法建立了SMP簧片结构的优化模型并进行求解,得到了驱动性能最佳的SMP簧片结构。

(3)研究了一种智能可逆的SMP隔膜装置。

利用SMP大变形和形状记忆的特性,设计了一种翻转可逆的SMP隔膜装置。

对SMP隔膜的翻转过程和恢复效应进行了有限元模拟,获得了隔膜在翻转变形过程中的压力和应变能的变化,并分析了结构参数和温度对翻转行为的影响。

形状记忆合金性能及其应用综述引言：形状记忆合金形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性、电阻突变效应以及弹性模量随温度变化等一般金属不具备的力学特性，使其在仪器仪表、自动控制、机器人、机械制造、汽车、航天航空、生物医学等工程领域都能发挥重要的作用，对其本构性能和在工程应用中的性能的研究十分必要。

本文综合了自1971年以来国内外众多科学家对形状记忆合金做出的各方面的研究，并做出简要评价，提出自己的看法和本课题研究内容，为对形状记忆合金的应用研究提供一定参考。

国内外研究现状：1、SMA材料种类研究现状自上个世纪30年代人们发现Au-Cd合金具有记忆效应以来，进过几十年的研究，发现的形状记忆合金按相变特征类，可分成如下几个系列[1]：1、由热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金1) TiNi系列，发生体心立方——无公度相——菱方R相——单斜BI9相变。

包括TiNi、TiNiFe、TiNiCu、TiNiNb(宽滞后)、TiNiCo等。

2) β铜基合金系，包括:Cu-Al-Ni(Cu-Al-X=Ti或Mn),发生体心立方—近正交γ1’（2H）或单斜β1’（18R1）, γ1’—单斜β1”（18R2），β1”--单斜α1, β1’--单斜α1相变（视应力大小而定）；Cu-Zn-Al-X（Cu-Zn-Al-X，X=Mn或Ni等），发生体心立方（β2、DO3或Lα1）--单斜9R或18R相变；其它，如Cu-Zu和Cu-Zn-X （X=Si、Sn、Au等）。

3）其它有色合金系，包括：Au-Cd、Ag-Cd、In-Ti、Ti-Nb、Co-Ni、Ni-Al等。

4) Fe3Pt（γ—α’，γ—fct）和Fe-30at%Pd（γ—fct）。

5) Fe-Ni-Co-Ti系，发生时效γ一薄片状α’(bcc和bct)马氏体相变，如Fe-33Ni-l0Co-4Ti、Fe-31Ni一I0Co-3Ti及Fe-33Ni-l0Co-(3~4)Ti-Al等。