碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料的热-力学行为建模与影响因素

顾建平^1,2，方常青^3,2，孙慧玉²，曾好²，蔡中兵⁴

1. 南京工程学院材料科学与工程学院江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室2. 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室3. 上海航天动力技术研究所4. 盐城工学院土木工程学院

摘 要：采用变形梯度分解的方法,基于热力学内变量理论,构建了适用于描述碳纤维增强形状记忆聚合物（CF/SMP）复合材料热-力学行为的热黏弹性本构模型。模型中考虑了材料的结构松弛效应和应力松弛效应,且适用于有限变形条件。依据该模型研究了一种CF/SMP薄板在受到单向均布载荷作用且处于平面应力状态时的碳纤维有效应变影响因素。理论上证实了虽然碳纤维的容许应变很小,但合理取向的纤维分布形式能使其应用于有限变形条件下而不被破坏。此外,分析了该CF/SMP形状记忆热-力学循环过程中形状记忆效应（SME）的影响因素。结果表明,碳纤维含量的增大和纤维倾斜角的减小会导致CF/SMP刚度增大,从而降低其形状固定率。此外,碳纤维体积含量和温度变化率对升温回复阶段也存在一定影响。上述研究方法和结果能对单向连续CF/SMP的设计与应用提供一定理论指导。

关键词：碳纤维;形状记忆聚合物;复合材料;有效应变;热-力学行为;形状记忆效应(SME);