碳纳米纤维增强形状记忆聚合物复合材料大变形热-力耦合行为

Shape memory polymer (SMP) is a kind of new smart actuation materials, which can produce a temporary state and retain the state until removing force under low temperature, when the temperature rises to the high temperature again, the SMP recover the original state under some special external stimulus. Nowadays, the applications of shape memory polymer have covered a wide range from aerospace to biomedicine areas. Based on the good mechanical properties and nanoscale effect of carbon nanofiber, the project will investigate the large deformation thermal-mechanical coupling behaviors of shape memory polymer composites reinforced with carbon nanofibers. The mainly research contents include: A nano mechanical experiment is designed to characterized the interface mechanical properties of carbon nanofiber composites. A large deformation consititutive model is developed for shape memory polymer reinforced with carbon nanofiber under thermal-mechanical coupling effect. In addition, the postbuckling behavior is investigated by the mechanical behavior of composites. Finally, the mechanical behavior of shape memory polymer reinforced with carbon nanofiber is investigated based on the laminate plate structure.

作为一种新型智能驱动材料，形状记忆聚合物（shape memory polymer）能够在高温条件下容易产生变形，并可保持这种变形直到低温卸载以后，当温度再次回复到高温状态时，形状记忆聚合物的形态也会回复到最初的形态。目前，形状记忆聚合物已广泛应用于航空航天、生物医学等研究领域。基于碳纳米纤维优异的力学性能和纳米尺度效应，本项目提出碳纳米纤维增强形状记忆聚合物复合材料在热-力耦合作用下大变形力学行为。内容包括：利用分子动力学模型，分析碳纳米纤维复合材料从微观到宏观的热力耦合行为，设计纳米力学实验方案，表征复合材料界面力学性能；利用固体相变理论，建立热-力场耦合作用下的碳纳米纤维形状记忆聚合物复合材料的大变形本构方程；分析碳纳米纤维后屈曲力学行为；研究基于层板结构的碳纳米纤维增强形状记忆聚合物复合材料的力学性能。

基于形状记忆聚合物的形状记忆效应、碳纳米纤维的优异力学性能，本项目研究了碳纳米纤维增强形状记忆聚合物复合材料在热-力耦合作用下的大变形力学行为。建立了碳纳米纤维增强形状记忆复合材料的热力耦合分子动力学模型，研究了其从微观到宏观的热力耦合行为；设计了表征碳纳米纤维增强形状记忆复合材料纳米尺度力学行为的微滴包埋实验方案，得到了碳纳米纤维与聚合物界面力学等性能。建立了热力耦合作用下碳纳米纤维增强形状记忆复合材料的大变形本构方程，研究材料非线性、几何非线性及热、力场耦合条件对复合材料的应力、应变、应变率、驱动力、变形等性能的影响。研究了碳纳米纤维增强形状记忆聚合物复合材料的屈曲力学行为，基于能量法和最小变分原理，建立单轴压缩和大挠度弯曲变形情况下的连续单向碳纳米纤维增强形状记忆复合材料屈曲行为的力学模型。形成了碳纳米纤维增强形状记忆复合材料层板结构的设计方法，系统表征了其层板结构在多工况下的多类形状回复力学性能。基于本项目的理论成果，在国际上首次实现基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的柔性太阳能电池系统的在轨可控展开；在国际上首次实现基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的国旗锁紧展开机构的火星展开。碳纳米纤维增强形状记忆复合材料在航空空间可展开结构、生物医疗、超材料器件等领域有较大应用前景。