粉煤灰空心球-聚脲復合材料粘彈性研究.pdf

1、本文以吸收爆炸應力波為目標，選用在抗沖擊、抗爆破復合結構領域有著很好應用前景的聚脲彈性體為基體，選用低密度、低成本的粉煤灰空心球為填充體制備了輕質(zhì)粉煤灰空心球/聚脲（FA/PU）復合材料。利用拉伸試驗機、動態(tài)力學分析儀（DMA）和超聲技術等多種手段系統(tǒng)地研究了其粘彈性，包括其不同應變率下的拉伸性能、低頻、高頻動態(tài)力學性能和松弛性能，分析了相關的影響因素，并合理的選擇力學模型對其性能進行了預測與表征，為發(fā)展聚脲基復合材料及其實用化提供了理

2、論基礎。此外還利用掃描電鏡（SEM）和調(diào)制差示掃描熱分析（MDSC）研究了FA/PU復合材料的微觀結構。
　　SEM觀察和MDSC分析表明，F(xiàn)A/PU復合材料中粉煤灰空心球分布均勻，與聚脲界面結合良好，且使聚脲微相分離結構中的軟段的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度增加。
　　在10-2s-1～10-4s-1應變率范圍內(nèi)FA/PU復合材料的應變率敏感性強于聚脲，分析認為是由于聚脲“胞壁”的慣性引起附加的應變率效應。FA/PU復合材料的楊氏模量在

3、51～96MPa范圍內(nèi)，比聚脲提高約4％～97%；拉伸強度為34.8～11.3MPa，斷裂延伸率為410%～270%，均低于聚脲。本文利用4階Odgen模型對聚脲及FA/PU復合材料的大應變拉伸行為進行表征，得出了其超彈性本構模型參數(shù)，為有限元分析提供前提。
　　利用DMA研究了聚脲及FA/PU復合材料在變溫條件（-80℃～70℃）下的低頻（1～20Hz）動態(tài)力學性能。結果表明：聚脲及FA/PU復合材料的溫度譜僅出現(xiàn)一個松弛峰，對

4、應軟段的玻璃化轉(zhuǎn)變過程。隨頻率增加，聚脲及FA/PU復合材料楊氏儲能模量增加，損耗模量峰值降低，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨logf呈線性增加。復合材料的楊氏儲能模量和損耗模量均隨粉煤灰空心球體積分數(shù)的增加而增加；大粒徑粉煤灰空心球填充聚脲復合材料的低頻動態(tài)力學性能較好。T>Tg時，粉煤灰空心球的作用效果更為顯著，相對儲能和損耗模量均可達到3.0以上。分析認為基體的本征松弛耗能和界面摩擦耗能是FA/PU復合材料的主要耗能機制。利用時-溫轉(zhuǎn)換原理得出

5、了聚脲及FA/PU復合材料的頻率主曲線，可知在廣闊的頻率范圍內(nèi)，復合材料的儲能模量和損耗模量均隨粉煤灰空心球體積分數(shù)的增加而增加，但低頻下粉煤灰空心球作用顯著，高頻下作用較小。采用二次近似法得出了聚脲及FA/PU復合材料的連續(xù)松弛時間譜，可知鏈段運動是主要松弛模式。粉煤灰空心球的加入對主松弛時間和運動模式影響不大，但隨粉煤灰空心球體積分數(shù)增加，長松弛時間的運動單元貢獻加大，且T>Tg時的表觀活化能增加，均說明粉煤灰空心球的加入限制了聚脲

6、基體中部分鏈段的運動，使其松弛時間變長。
　　聚脲及 FA/PU復合材料的高頻（1MHz）動態(tài)縱向、剪切、體積模量均隨溫度的增加而降低，泊松比隨溫度的增加而增加。粉煤灰空心球的加入使復合材料的動態(tài)縱向和剪切模量增加，泊松比降低，但對動態(tài)體積模量影響很小。聚脲及FA/PU復合材料的高頻楊氏儲能模量實測值與頻率主曲線預測值有較好的一致性，而楊氏損耗模量的實測值明顯高于預測值。Hashin復合球單胞模型能較好地預測復合材料的高頻楊氏儲能

7、模量，但預測的楊氏損耗模量誤差較大。
　　準靜態(tài)壓縮實驗表明，由于粉煤灰空心球的破碎，F(xiàn)A/PU復合材料可以將應力保持在較低水平下，吸收大量能量。聚脲及FA/PU復合材料的準靜態(tài)體積模量和動態(tài)模量（1MHz）隨應力的增加而近線性增加；低壓力時，頻率對復合材料體積模量影響顯著；壓力增加，頻率的影響減弱。
　　準靜態(tài)應力松弛實驗（ε=1%）表明，聚脲及FA/PU復合材料的松弛速率隨溫度的降低而增加，應力保持率則降低。隨粉煤灰空心

8、球體積分數(shù)的增加，復合材料的初始應力增加，但松弛速率也增加，因此復合材料的應力保持率在Vf=10%時有峰值。粉煤灰空心球粒徑增加，對松弛速率影響很小，但使初始應力降低，因此復合材料的應力保持率降低。利用時-溫轉(zhuǎn)換原理得出了聚脲及FA/PU復合材料的松弛主曲線，研究表明，隨著粉煤灰空心球體積分數(shù)的增加，復合材料松弛主曲線的時間跨度減小，松弛模量增加。利用分數(shù)階導數(shù)模型表征了聚脲的松弛行為，并將其與Einstein模型和Guth模型相結合，