基于高斯定律形状记忆聚合物的热/化学响应行为及其光弹转变本构建模

Amorphous polymers are normally isotropic in their physical properties, however, their structural randomness is disturbed and they cease to be anisotropic under a deformation by the application of a stress. There is a close connection between the optical anisotropy and the elastic (or mechanical) anisotropy, since both are related to the type of symmetry exhibited by the molecular structure. On the origin of Gaussian network theory, a phenomenological constitutive framework was proposed to study the photo-elastic transition and working mechanism of the thermo-/chemo-responsive shape-memory effect (SME) in amorphous shape memory polymers (SMPs). Optically refractive index was initially employed to couple the stress, strain and the anisotropy of the random link in macromolecule chain. Based on the Arrhenius law, a constitutive framework was then applied for the temperature dependence of optical (or elastic or mechanical) anisotropy according to the fictive temperature parameter. Finally, the phenomenological photo-elastic model is proposed to quantitatively identify the influential factors behind the thermo-/chemo-responsive SME in SMPs, of which the shape recovery behavior is predicted and verified by the available experimental data reported in the literature.

无定型态聚合物在外力作用下，其分子结构对称性发生改变，致使其光学、力学等物理性能发生各向异性变化。申请项目针对形状记忆聚合物的热/化学响应记忆行为及其光弹转变，开展物理机制、响应行为、多场效应及其力学本构建模与实验验证研究。基于高斯定律，开展形状记忆聚合物光弹转变和熵弹转变物理机制及热力载荷约束条件下力学行为演变规律研究，建立宏观力学、光学函数与微观分子链取向分布函数的跨尺度光弹转变本构模型，获得记忆行为的光弹效应与熵弹效应作用机制及影响规律。进而，基于Arrhenius定律，开展熵弹效应的温度效应影响规律研究，通过熵弹效应本构方程修正，建立熵弹效应和温度效应的光弹转变本构模型，实现对记忆效应发生的原因和机制进行理论描述和定量分析。最后，开展溶胀效应驱动记忆行为及其多场效应力学行为研究，建立热-力-化多场耦合光弹转变本构模型，深化复杂约束载荷作用及多场效应力学行为理论研究，并开展实验验证。

历经近30年的研究，当前形状记忆聚合物的研究面临着巨大的挑战和瓶颈，其原因在于其“玻璃化转变”基础问题，以及满足航天结构驱动器、航空变体飞行器等国家需求的功能结构一体化设计问题。研究项目针对无定型态形状记忆聚合物的热力学基础、力学本构关系、力学行为预测、模拟表征与实验验证，系统深入地开展了其松弛域热力学、多重玻璃化转变协同效应建模、空穴体积理论及其分析方法、热场-化学场-机械场多场耦合效应及其力学行为分析预测等研究。从热力学运动方面解释并预测了形状记忆聚合物的多形状记忆效应，揭示了其力学行为影响因素及其影响规律，建立本构关系力学方程预测松弛运动力学行为及其玻璃化转变影响机制。进而，基于随机运动叠加原理及方法，建立了多重形状记忆效应的松弛运动力学行为及其玻璃化转变温度的力学本构模型，揭示了多重形状记忆效应的热力学协同松弛特性，理论模型刻画了温度、应力、储存应变能、应变以及时间尺度（温度率和应变率）等环境因素的影响规律。最后，提出了化学场效应驱动多形状记忆效应研究方法，验证了化学诱导内能与温度参数、及浓度梯队与温度率参数的热力学等效性，建立了热场-化学场-机械场的多场耦合力学行为本构模型，预测并实验验证了化学场驱动形状记忆行为。在Soft Matter, Macromolecules, Polymer和Smart Materials and Structures等期刊发表研究论文28篇，获授权国家发明专利1项。获2020年黑龙江省自然科学奖一等奖（排名第一）。