热—压作用下纳米短纤维橡胶基复合材料的微观力学行为及增强机理研究

Nano-short-fiber-reinforced rubber composites is a kind of new composites with dual characteristics of nano-composites and short-fiber-reinforced composites. It is widely used in many fields, such as tyre industry, sealing material industry, damping materials industry,and so on. Due a lack of complete analysis theories based on micro-mechanical analysis, which are applied in analyzing mechanical properties and reinforced mechanism of the composites subjected to thermo-compression loads, the design and mechanical analysis of this composites are carried out by a lot of experiments singly, which has hindered its development and apply seriously. In this subject, the microstructural parameters and the mechanical performance of fiber are investigated, and the analysis of mechanical performance of the modified rubber matrix and interface (or interphase) are performed. A multi-dimensional micromechanical model in coupling of temperature and compression is proposed, and the stress distribution and transfer in the composites are analysed. Based on establishing the relationship between the micromechanical variables and the macromechanical properties, a macromechanical model composed of random distributed single-fiber concentric cylinder celles is established, and a thermo-viscoelastic constitutive theories for analyzing the static and dynamic finite deformation of this composites are offered. In the end, the damage process, failure mechanism, nano effect and reinforced mechanism are investigated. The reseached results not only can be used in mechanical analysis and performance evaluation of this composites, but also can be used in the design and optimization of a new one.

纳米短纤维橡胶基复合材料（NFRC材料）是一种兼有纳米材料和短纤维增强材料双重特性的新型复合材料，可广泛应用于轮胎、密封材料、阻尼减振材料等多个领域，具有广阔的应用前景。然而由于缺少一种基于微观力学的热-压作用下材料力学特性与增强机理分析理论。这种材料的设计、力学性能分析只能大量地依靠试验，这严重制约了该种材料的进一步开发与应用。本项目拟从分析材料微观结构参数和纤维力学性能出发，研究材料中改性橡胶基体和界面（相）力学特性，建立热-压作用下材料的多维微观应力分析模型，研究材料内部微观应力传递与分布，进而建立材料微观、宏观力学行为之间的联系，构建含随机单纤维体包体系的材料宏观力学模型，建立材料动、静态有限变形热粘弹性本构方程，最终探讨材料损伤演化过程与失效机理、分析材料的纳米效应和增强机理。研究成果既可为该种材料的力学分析与性能表征提供理论依据，亦可为新型NFRC材料的设计与制备提供理论指导。

纳米短纤维橡胶基复合材料（NFRC材料）是一种兼有纳米材料和短纤维增强材料双重特性的新型复合材料，可广泛应用于轮胎、密封材料、阻尼减振材料等多个领域，具有广阔的应用前景。然而由于缺少一种基于微观力学的热-压作用下材料力学特性与增强机理分析理论。这种材料的设计、力学性能分析只能大量地依靠试验，这严重制约了该种材料的进一步开发与应用。本项目拟从分析材料微观结构参数和纤维力学性能出发，研究材料中改性橡胶基体和界面（相）力学特性，建立热—压作用下材料的微观应力分析模型，研究材料微观应力传递与分布，进而建立材料微观、宏观力学行为之间的联系，构建含随机单纤维体包体系的材料宏观力学模型，建立材料有限变形热粘弹性本构方程，最终探讨材料损伤演化过程与失效机理、分析材料增强机理。. （1）短纤维的长径比可以采用分离观测法进行测试，可运用平均长径比法和直方图法进行表征。短纤维的取向可采用切断面分析法和平面观察法进行测试，其取向的分布可运用分布函数法、直方图法以及取向因子法进行表征。界面相厚度采用纤维表面处理前后的半径差值来表示。材料中的孔洞可用孔隙率来表征。. （2）材料中纤维和界面相是弹性的，基体是粘弹性的；建立了基体材料的六元件粘弹性模型，得到了基体材料的变温蠕变和松弛粘弹性本构方程。. （3）建立了单纤维圆柱体包细观力学模型，探讨了材料中基体、纤维和界面相之间的应力传递模式，得到了材料中纤维、界面相和基体的应力分布。. （4）探讨了材料组份破坏、失回弹和蠕变松弛失效的机理。. （5）建立了材料的压缩回弹性能和蠕变松弛特性的宏观力学性能预测方法，研究表明：材料压缩率随应力的增加和纤维含量的减小而增加；回弹率随应力和纤维含量的增加而减小。蠕变量和应力松弛量均随初始应力、温度和基体含量的增加而增加。. 研究成果既可为该种材料的力学分析与性能表征提供理论依据，亦可为新型NFRC材料的设计与制备提供理论指导。