热-光-磁耦合刺激下形状记忆聚合物的变形机理研究

Shape-memory polymers (SMPs) can retain a temporary shape after pre-deformation in a certain condition; and when it is applied with a proper stimulus, such as temperature, light and magnetic field etc., the original shape can be recovered. The existing constitutive models for SMPs are mostly complex, inaccurate and only suitable for certain specific materials. Thus, the deformation behaviors of SMPs can’t be depicted effectively. The objective of this proposal is to study the deformation behaviors of different kinds of SMPs by adopting theoretical, numerical and experimental research methods. First, we will establish and improve the appropriate constitutive theory for SMPs in multi-field stimuli. Then, we will propose corresponding numerical methods and develop the effective and robust subroutine library for studying the unique and coupled multi-field mechanical behaviors of SMPs. Finally, we will combine numerical simulations with experimental methods to design new functional materials and reveal their deformation mechanism. The study will establish the base for SMPs deformation mechanism research. The subject also can contribute to the intensive study of shape memory deformation mechanism and the future applications of SMPs.

形状记忆聚合物在适当的刺激响应下(例如热、光、磁等)可以从一个暂态形状恢复为初始形状。目前国内外有关形状记忆聚合物的本构模型，不仅复杂，而且与实验结果相差较大，不能有效地描述形状记忆聚合物的形状记忆行为。本项目拟通过理论、数值和实验相结合的手段，构建并完善形状记忆聚合物在多场耦合作用下的本构关系，然后建立多场耦合作用下形状记忆聚合物的数值计算方法，开发相应的有限元子程序库，最后利用数值模拟与实验方法设计新型功能材料，并揭示其变形机理。本项目的研究旨在发展完善形状记忆聚合物的理论和研究方法，为形状记忆聚合物更广泛的实际应用奠定理论基础，对形状记忆聚合物变形机理的深入研究具有重要的科学意义。

随着软机器和生物医学等领域科学技术的不断发展和进步，软物质力学的研究已成为力学学科的一个重点研究方向。作为一类典型的智能材料，形状记忆聚合物 (Shape Memory Polymers，即SMP)，因其具有众多优异特性及广阔应用潜能激发了人们对它的研究兴趣。本项目对热-光-磁刺激下形状记忆聚合物的变形机理及变形特性进行了深入的研究。. 在本构模型研究方面，我们首先建立了SMP的粘弹性本构模型。这种粘弹性模型虽然很简单，却能有效地描述SMP的形状记忆行为和粘弹特性。然而，这两种粘弹性模型却没有一个明确的物理意义。所以我们又建立了一个相变本构模型并考虑了相变速率的影响。该相变本构模型不仅能定量地描述SMP的形状记忆行为，还能体现聚合物材料的相变过程。但相变模型并不能描述SMP的粘弹性特性。为了克服上述两种模型的不足，我们将粘弹性法和相变法结合起来建立了两种新型的本构模型。这两种模型可以适用于不同种类的SMP，且适用于研究大变形行为，还能充分体现应力松弛、机械应变冻结、热变形及模量随温度的变化。. 在数值模拟计算方面，我们基于上述提出的一系列的本构模型建立了UMAT子程序库，可以直接在ABAQUS中调用并实现SMP的形状记忆循环。有限元模拟结果和理论计算、实验结果都能很好地吻合。我们还基于开发的有限元子程序研究了SMP以及其复合结构的屈曲失稳、热力学和动力学问题。. 在实验和应用探索方面，我们首先采用DMA动态热分析仪等对不同种类的形状记忆聚合物的热力学性能进行了测试，确定了我们本构模型中的材料参数。其次，我们对SMP血管支架的可行性进行了分析，并研究了加热速率和恢复温度对SMP支架扩展的影响。此外，我们还设计了一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手。这个机械手具有轻便灵活，抗腐蚀能力强的特点，还能克服“硬机器”因夹持力过大可能对夹持物品所造成的破坏问题。. 本研究课题的相关成果为早日实现形状记忆聚合物的大规模商业应用奠定了基础。