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形状记忆聚合物泡沫性能分析

作　者: 封硕
导　师: 冷劲松
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程力学
关键词: 形状记忆聚合物形状记忆苯乙烯泡沫发泡剂比例形状回复变温压缩热力循环
分类号: TB381
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

智能材料（Smart Materials）是现代科研领域一门新兴学科，因其独特的功能性受到了很广泛的关注。智能材料可以制作成集传感器、作动器、控制系统为一体的元件。作为传感器，可应用材料本身的特殊性能来感知外界环境的变化。作为作动器，可通过改变自身的结构和物理性质来产生响应。这门学科正在蓬勃的发展，并为人类的科学事业发展进步发挥着重要的作用。在智能材料中，形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers, SMPs)是一个很重要的分支。形状记忆聚合物最主要的功能是其可以在合适的温度下能够实现形状回复。其良好的承载能力、形状回复能力和运动稳定性越来越吸引着人们的注意。为了得到更高比强度、更高比模量的轻质形状记忆聚合物，将形状记忆聚合物制作成泡沫。得到的形状记忆聚合物泡沫除了具有泡沫的轻质性、高比强度、高比模量之外，还有普通形状记忆聚合物的形状回复性能。当温度高于玻璃化转变温度时，将形状记忆聚合物泡沫施加外力，泡沫将产生压缩变形，然后将温度降到玻璃化转变温度以下，撤去外力，材料将锁定变形。当把它再次置于玻璃化转变温度以上时，形状记忆聚合物泡沫将产生很大的回复变形。形状记忆聚合物泡沫的变形能力，优于普通形状记忆聚合物。首先分别研究了不同发泡剂种类、发泡剂含量、预发泡环境、预发泡时间等因素对形状记忆苯乙烯泡沫的厚度、重量、体积、密度、孔隙率的影响。通过这些结果来选择更好发泡工艺，并通过对数据的分析，较为详细地描述了形状记忆苯乙烯泡沫在预发泡和固化过程中经历的发泡固化过程，对形状记忆苯乙烯泡沫制作过程中混合溶液的粘度变化、挥发速度变化趋势、发泡剂泡孔内部情况等关键问题进行了推理验证。这些结论可以为形状记忆苯乙烯泡沫的制备研究提供参考。接下来制作了各个比例发泡剂比例含量的形状记忆苯乙烯泡沫，并在万能试验机进行压缩试验，得到了各个比例发泡剂含量试件的压缩曲线。形状记忆苯乙烯泡沫的常温受压过程不同于一般脆性材料，它的受压过程相对比较复杂，而且受压性能会受到制备过程中发泡剂比例的影响。分别研究了形状记忆苯乙烯泡沫前段、中段、后段的力学性能，得到了压缩结果与制作过程中加入发泡剂比例的关系。同时对常温压缩的形状记忆苯乙烯泡沫在形状回复温度下进行了形状回复试验。得到了不同比例下形状记忆苯乙烯泡沫常温压缩形状回复率曲线，验证了形状记忆泡沫常温压缩形状回复的可行性。最后对形状记忆苯乙烯泡沫进行变温压缩试验和与热力循环试验，对形状记忆苯乙烯泡沫在不同发泡剂比例和不同环境温度下的压缩试验进行了研究，并对得出的应力应变曲线进行简单的分析。测试了形状记忆苯乙烯的形状回复能力和形状固定能力与发泡剂比例和外界环境温度的关系，通过得出的结论来分析推理材料在不同温度压缩过程中的内部变化。在形状记忆苯乙烯泡沫的热力循环特性试验中，分别研究了形状记忆苯乙烯泡沫在在几个温度下的压缩热力循环性能。对形状记忆苯乙烯泡沫的形状固定能力、形状回复能力与发泡剂比例、热力循环次数的关系进行了试验研究。总结出了形状记忆苯乙烯泡沫内部结构在多次热力循环压缩作用下的状态变化。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第1章绪论  10-24
  1.1 课题来源及研究目的和意义  10-11
  1.2 形状记忆聚合物简介及研究现状  11-18
    1.2.1 形状记忆聚合物变形回复机理  12-13
    1.2.2 形状记忆聚合物驱动方式  13-15
    1.2.3 形状记忆聚合物的应用  15-18
  1.3 形状记忆泡沫研究现状  18-22
    1.3.1 形状记忆泡沫  18-19
    1.3.2 聚苯乙烯泡沫（EPSF）发泡工艺  19-21
    1.3.3 苯乙烯形状记忆聚合物泡沫  21-22
  1.4 本文主要研究内容  22-24
第2章实验方法与材料表征方法介绍  24-32
  2.1 研究方案  24-25
  2.2 实验原料试验设备及测试仪器  25-27
    2.2.1 试验材料介绍  25
    2.2.2 主要实验设备及测试仪器  25-27
  2.3 材料测试方法  27-32
    2.3.1 常温压缩试验  27
    2.3.2 变温压缩试验  27-29
    2.3.3 热力循环试验  29-32
第3章形状记忆苯乙烯泡沫的制备  32-50
  3.1 引言  32
  3.2 不同种类发泡剂对形状记忆聚苯乙烯泡沫质量的影响  32-35
    3.2.1 实验过程  33
    3.2.2 实验结果分析  33-34
    3.2.3 结论  34-35
  3.3 发泡剂比例和发泡环境对形状记忆苯乙烯泡沫的影响  35-42
    3.3.1 发泡剂比例对形状记忆泡沫基本物理指标的影响  35-41
    3.3.2 两种发泡环境对形状记忆苯乙烯发泡效果的影响  41
    3.3.3 结论  41-42
  3.4 预发泡时间对形状记忆聚苯乙烯泡沫的影响  42-49
    3.4.1 预发泡时间对形状记忆苯乙烯泡沫基本物理指标的影响  42-48
    3.4.2 结论  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第4章形状记忆苯乙烯泡沫常温压缩及形状回复  50-60
  4.1 引言  50
  4.2 形状记忆苯乙烯泡沫常温压缩性能分析  50-56
    4.2.1 形状记忆苯乙烯泡沫常温压缩试验  50-53
    4.2.2 发泡剂比例对形状记忆苯乙烯泡沫三个受压阶段的影响  53-56
  4.3 形状记忆苯乙烯泡沫常温压缩回复性能分析  56-59
  4.4 本章小结  59-60
第5章变温压缩试验与热力循环特征  60-78
  5.1 引言  60
  5.2 形状记忆苯乙烯泡沫的变温压缩试验  60-71
    5.2.1 形状记忆苯乙烯泡沫的变温压缩应力应变曲线  60-64
    5.2.2 形状记忆苯乙烯泡沫的变温压缩结果分析  64-65
    5.2.3 形状记忆苯乙烯泡沫压缩回复率试验  65-66
    5.2.4 形状记忆苯乙烯泡沫压缩固定率试验  66-68
    5.2.5 形状记忆苯乙烯泡沫压缩形状回复速度试验  68-70
    5.2.6 结论  70-71
  5.3 形状记忆苯乙烯泡沫热力循环特性试验  71-77
    5.3.1 形状记忆苯乙烯泡沫在压缩热力循环下的应力应变关系  71-72
    5.3.2 形状记忆苯乙烯泡沫在压缩热力循环下的形状固定能力  72-74
    5.3.3 形状记忆苯乙烯泡沫在压缩热力循环下的形状回复率  74-76
    5.3.4 结论  76-77
  5.4 本章小结  77-78
结论  78-80
参考文献  80-85
致谢  85

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