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針織物由于其易變形的線圈結(jié)構(gòu)，在開發(fā)具有大恢復(fù)變形的形狀記憶聚合物復(fù)合材料方面具有潛力。本文制備了針織物增強(qiáng)形狀記憶環(huán)氧聚合物復(fù)合材料 (shape memory epoxy polymer composites；SMPC)，并研究了線圈密度、方向和彎曲半徑對 SMPC 形狀記憶性能的影響。結(jié)果表明，SMPC 在 5 mm U 型彎曲半徑下的形狀固定率和形狀恢復(fù)率均在98％以上。SMPC 的形狀恢復(fù)力可達(dá) 5.9 N。還表征了SMP的熱力學(xué)性質(zhì)以獲得力學(xué)參數(shù)，并編寫了形狀記憶環(huán)氧聚合物 (shape memory epoxy polymer；SMEP) 的用戶自定義材料子程序 ( user-defined material subroutine；UMAT)?；谡硰椥岳碚摵投喑叨葞缀谓Y(jié)構(gòu)，建立了針織物增強(qiáng) SMPC 的宏觀均質(zhì)熱力學(xué)模型和微觀熱力學(xué)模型，研究了形狀記憶過程中宏觀應(yīng)力分布和微觀變形演化。結(jié)果表明，SMPC 在彎曲變形過程中中性面位置偏內(nèi)，針織物的獨特各向異性線圈結(jié)構(gòu)決定了 SMPC 的形狀記憶行為。最后，通過微 CT 成像進(jìn)一步揭示了針織物增強(qiáng) SMPC 在形狀記憶過程中的線圈變形機(jī)制。本研究將為智能復(fù)合材料的變形結(jié)構(gòu)設(shè)計和變形預(yù)測提供重要的理論和技術(shù)支持。

一、引言

形狀記憶聚合物 (Shape memory polymers；SMP) 作為一種智能材料，能夠在外部刺激下在初始形狀和臨時形狀之間自由轉(zhuǎn)變。然而，由于其較差的形狀記憶性能和機(jī)械性能，SMP 通常需要與納米材料、短纖維或連續(xù)纖維等增強(qiáng)材料復(fù)合，以開發(fā)高性能和多功能的SMPC。連續(xù)纖維增強(qiáng) SMPC 具有輕質(zhì)、可恢復(fù)變形和優(yōu)異的機(jī)械性能等優(yōu)點，在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，連續(xù)纖維增強(qiáng) SMPC 的發(fā)展主要集中在提高形狀恢復(fù)力和可恢復(fù)變形能力。然而，纖維的微觀屈曲行為和界面強(qiáng)度等問題限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

近日，國際知名期刊《Composites Science and Technology》發(fā)表了一篇由武漢紡織大學(xué)、香港理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊完成的有關(guān)編織布增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的彎曲形狀記憶性能和多尺度粘彈性行為的研究成果。該研究制備了緯編布增強(qiáng)SMPC，并系統(tǒng)地研究了編織密度、彎曲半徑和編織方向?qū)?SMPC 形狀記憶性能的影響。還建立了 SMPC 的多尺度有限元模型，并利用微 CT 技術(shù)分析了 SMPC 中編織環(huán)的微觀變形機(jī)制。論文標(biāo)題為“Bending shape memory properties and multi-scale viscoelastic behaviors of knitted-fabric reinforced polymer composites”。

二、研究內(nèi)容及方法

1.材料和方法

實驗使用了環(huán)氧樹脂、苯胺、對苯二胺、環(huán)氧基液體丁腈橡膠以及E-玻璃紗線等原材料。使用平板針織機(jī)制備具有不同縱向（0°）和橫向（90°）密度的羅紋針織物，并將其浸入環(huán)氧樹脂溶液中，采用真空輔助樹脂傳遞成型工藝制備SMEP樣品和緯編針織布增強(qiáng)SMPC 樣品。

關(guān)于樣品的表征方法，包括使用動態(tài)力學(xué)分析儀和差示掃描量熱儀測定樣品的動態(tài)力學(xué)性能和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)的熱性能表征。通過 U 形彎曲實驗，研究樣品的形狀固定率和形狀回復(fù)率的形狀記憶行為測試。使用萬能試驗機(jī)測量樣品在形狀記憶過程中的形狀回復(fù)力的形狀回復(fù)力測試。以及使用 X 射線計算機(jī)斷層掃描系統(tǒng) (micro-CT) 觀察樣品在形狀記憶過程中的微觀結(jié)構(gòu)變形的微 CT 分析。

圖1. (a)試件受U型彎曲載荷作用時形狀記憶循環(huán)示意圖。(b)試件回復(fù)力表征方法示意圖。

2.有限元分析建模

該研究建立了多尺度模型，包括紗線代表性體積單元 (RVE) 模型、緯編針織布線圈單元模型和 SMPC 全尺寸模型。此外，該文章還提到了在模擬過程中考慮的周期性邊界條件，以及假設(shè)纖維束在形狀記憶過程中沒有變形，且纖維束被假設(shè)為圓形。

其次，采用了11參數(shù)廣義Maxwell模型來描述SMEP的粘彈性本構(gòu)方程，并基于 Williams-Landel-Ferry (WLF) 方程來描述SMEP的時間-溫度等效效應(yīng)。并編寫了 SMEP 的UMAT，用于模擬SMEP的粘彈性行為，并通過有限元軟件進(jìn)行實現(xiàn)。建立了宏觀均勻熱力學(xué)模型和微觀熱力學(xué)模型，分別用于模擬 SMPC 在形狀記憶過程中的宏觀應(yīng)力分布和微觀變形演化。

圖 2. 針織物增強(qiáng)形狀記憶環(huán)氧復(fù)合材料的多尺度模型。（a）紗線的 RVE 模型。（b）針織線圈單元模型和不同針織密度的針織物的線圈單元尺寸。D17 表示每 5 厘米 17 個線圈的針織密度。（c）SMPC 的全尺寸模型并分解到中觀層面。

3.結(jié)果和討論

該文章展示了實驗和有限元模擬結(jié)果，并對SMEP 和緯編針織布增強(qiáng)SMPC的形狀記憶性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，SMEP 和 SMPC 樣品都具有良好的形狀固定率和形狀回復(fù)率。緯編密度較小和彎曲半徑較大的 SMPC 樣品具有更高的形狀回復(fù)率。0° 方向的 SMPC 樣品的最終回復(fù)時間短于 90° 方向的樣品，但 0° 方向的 SMPC 樣品的回復(fù)力小于 90° 方向的樣品。

圖片圖 3. SMEP 和 SMPC 的宏觀有限元模擬結(jié)果。SMEP-R10（a）和 SMPC-D15-R10（b）的形狀恢復(fù)率與時間曲線。（c）加熱加載后彎曲狀態(tài)下的應(yīng)力分布。

有限元模擬結(jié)果表明，緯編針織布的增強(qiáng)作用導(dǎo)致 SMPC 在彎曲變形過程中的中性面位置偏移。緯編針織布獨特的各向異性線圈結(jié)構(gòu)決定了 SMPC 的形狀記憶行為。微觀 CT 分析結(jié)果表明，在彎曲加載過程中，SMPC 中緯編針織布的線圈在樣品外側(cè)被拉伸變長，而在內(nèi)側(cè)被壓縮變短。

圖 4. SMPC 的微 CT 分析。SMPC-D15 (90?)-R10 的微 CT 圖像的三個視圖，分別為 (a) 永久形狀和 (b) 臨時形狀。(c) 微 CT 和 FEA 模型的比較圖像。(d) 針織物和代表性線圈的微 CT 圖像和 FEA 圖像。

三、小結(jié)

該研究結(jié)果表明，SMPC 具有良好的形狀記憶性能，編織密度、編織方向和彎曲半徑對其形狀固定率和形狀恢復(fù)率有顯著影響。此外，有限元模型可以有效地模擬 SMPC 的宏觀和介觀形狀記憶行為，并揭示了編織環(huán)的變形機(jī)制。

原始文獻(xiàn)：

Huang, Y., Ren, H., Liu, Y., Xu, W., & Zhao, W. (2024). Bending shape memory properties and multi-scale viscoelastic behaviors of knitted-fabric reinforced polymer composites. Composites Science and Technology, 256, 110747.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110747