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可溶性聚四氟乙烯复合材料单轴拉伸本构模型

    单轴拉伸试样通过裁切由某公司提供的厚度1.5mm、直径206mm的可溶性聚四氟乙烯复合材料膜片而制得。试样形状及尺寸如图1所示,拉伸试验参照GB/T1040–2006执行,引伸计标距为25mm,试验设备为德国Instron公司E3000型万能材料试验机。环境温度选择253,293和333K,拉伸速率选择10,50和200mm/min,共做5组试验,每组试验重复3次,如表1所示。图2为可溶性聚四氟乙烯复合材料单轴拉伸应力–应变曲线。从图2可以看到,试样在加载后开始弹性变形,在很小的应变范围内经历非线性弹性阶段达到屈服;然后材料进入平缓的塑性变形阶段,在很小的应力下,即可产生很大的塑性变形;随后出现应变硬化现象,应力随应变的增大而急剧变大,并最终达到试样的强度极限(拉伸强度)而产生断裂。同时可以看出,可溶性聚四氟乙烯复合材料的应力–应变曲线对温度变化敏感,对拉伸速率变化不敏感。根据可溶性聚四氟乙烯复合材料单轴拉伸应力–应变曲线,对试验数据进行处理可得到可溶性聚四氟乙烯复合材料的拉伸弹性模量、屈服应力、拉伸强度及断裂伸长率,如表2所示。由表2中的2#,3#,4#可以看出,可溶性聚四氟乙烯复合材料的拉伸弹性模量和屈服应力与温度呈负相关,温度升高,材料的拉伸弹性模量和屈服应力都会明显降低;而拉伸强度和断裂伸长率与温度呈正相关,温度越高,拉伸强度越高,断裂伸长率也越大。由1#,3#,5#可看出,拉伸速率对可溶性聚四氟乙烯复合材料拉伸性能的影响趋势与温度正好相反,但影响程度并不大。可溶性聚四氟乙烯是一种典型的高分子材料,其力学性能具有很强的黏弹性行为。建立高聚物黏弹体本构模型的方法主要有唯象性方法和分子论方法。分子论方法通过建立描述高聚物大分子链流动的模型,研究微观结构对宏观运动的影响。唯象性方法则是直接给出高聚物黏弹体在变形过程中应力、应变、应变率和温度等变量间的关系,其中的系数则要通过试验确定。可溶性聚四氟乙烯复合材料单轴拉伸是典型的非线性大变形过程,故采用唯象性方法建立本构模型。美国塔夫茨大学的Y.P.Duan提出了一种能较好描述玻璃态聚合物力学性能的唯象性本构模型——DSGZ模型。通过分析比较DSGZ模型曲线与可溶性聚四氟乙烯复合材料应力-应变曲线的异同,发现两者除在变形软化区存在较大差异外,其它区域变化基本一致。因此在DSGZ模型的软化区添加因式1/[1-e-εδ(T/n)],建立了可溶性聚四氟乙烯复合材料单轴拉伸本构模型,称之为WDSGZ模型。模型表达式如式(1)、式(2)、式(3)所示。

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