黏超弹性复合材料的双尺度力学分析

填充橡胶是一种黏超弹性复合材料。以往研究主要针对填充橡胶的超弹性力学行为，而对其黏弹特性研究不多。本项目综合考虑填充橡胶的超弹性和黏弹性，重点探讨黏超弹性本构模型及黏超弹性复合材料的多尺度力学分析。从橡胶材料分子链网络的细观变形特点出发，考虑大变形引起的非仿射性，考虑材料特征时间标尺的应力或应变相关性，结合流变学模型理论和分数阶微积分理论，发展一种新的有限变形非线性黏超弹性本构模型，并应用到粒子填充橡胶黏超弹性力学行为的宏细观分析中。通过对填充橡胶中填充粒子形貌的统计分析，构建代表性体积单元，以黏超弹性本构模型描述橡胶基体，通过有限元和双尺度均匀化方法研究粒子填充橡胶的宏细观黏超弹性变形行为，分析填料体积分数、团簇聚集程度和界面特性对宏细观力学行为的影响，分析复合材料的率相关、时间相关力学行为和能量损耗特性。为指导材料设计提供研究基础。

填充橡胶在空气弹簧、轮胎、减振器、衬套、和密封件方面得到了广泛应用，具有复杂的时间相关和温度相关力学特性，是一种典型的黏超弹性复合材料。本项目综合考虑橡胶材料的超弹性和黏弹性，探讨材料的黏超弹性本构行为、模型描述以及黏超弹性复合材料的多尺度力学分析。重点研究了炭黑填充橡胶超弹性本构模型及其选取策略、粒子填充复合材料等效力学性能的双尺度分析、热氧老化对橡胶材料基本力学性能的影响、炭黑填充橡胶的热流变特性、动态黏弹性本构模型、Payne效应、橡胶结构的疲劳可靠度问题以及材料长期黏弹性能的加速测试与表征方法，为黏超弹性材料性能预报和粒子改性高分子复合材料的宏细观力学性能设计提供研究基础。.通过理论、实验测试和有限元模拟分析，项目组发展和完善了黏超弹性材料力学性能的测试与表征方法。将黏超弹性材料的力学响应分解成与时间无关的超弹性响应和与时间相关的黏弹性响应两部分。对于超弹性响应，通过开展多步松弛试验，得到材料的平衡应力-应变曲线，结合单轴拉伸(ST)、平面拉伸(PT)和等双轴拉伸(ET)测试结果，考察6种常见超弹性本构模型对试验数据的描述能力，给出了三类基本试验不齐全情况下超弹性本构模型的预测能力评价和模型选取策略。对黏弹性响应，实验得到了材料黏弹性随温度、载荷频率以及载荷幅值的变化规律，发展了一种材料黏弹性主曲线的构建新方法和一种“中断后可续测”的非接触式长时标应变测量方法，非常适合于长期变形的测试和监测；建立了一种能够描述宽广频率范围动态黏弹特性的多参数分数阶Zener本构模型；通过疲劳黏滞热损耗规律和过热失效准则，给出了一种橡胶结构的概率-区间混合动态可靠度分析模型。项目分析了老化温度和时间对炭黑填充橡胶拉伸性能与撕裂性能的影响，结果表明70℃下的老化对材料力学性能的影响不大，但是120℃下的老化影响很大。为了考虑填充橡胶细观填料对宏观黏超弹性力学性能的影响，发展了一种复合材料细观力学单胞模型的参数化建模方法，可调模型参数包括单胞尺寸、粒子含量、粒子形状、粒子尺寸及其统计分布，粒子间距以及界面层厚度等，视炭黑填充粒子为线弹性材料，基体橡胶为黏超弹性材料，建立了双尺度力学分析模型，得到了炭黑含量和分布对炭黑填充橡胶宏观力学行为的影响规律。.项目组发表期刊论文13篇，获得授权国家发明专利3项，42人次参加11个国际国内会议交流研究成果。培养毕业硕士6名、毕业博士2名。