復(fù)合應(yīng)力及納米尺寸下有機玻璃力學(xué)性能的研究.pdf

1、隨著社會的進步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對材料在國民建設(shè)，特別是國防與航空航天方面提出了更高的要求。其中有機玻璃由于具有良好的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和加工性能，因而在航空航天，汽車，建筑，光學(xué)儀器，醫(yī)療器械，電子等多方面都擁有廣泛的應(yīng)用。最近幾十年，隨著科技的發(fā)展、生活的需要， PMMA又被應(yīng)用于光學(xué)儀器，醫(yī)療器械，電子等諸多新興領(lǐng)域，應(yīng)用前景愈加寬廣。雖然對有機玻璃力學(xué)性能的研究是現(xiàn)在一個很重要的研究領(lǐng)域，但由于實驗手段等局限，研究

2、者對復(fù)合加載下材料的力學(xué)性能以及失效模式研究有限。此外由于有機玻璃被應(yīng)用于光學(xué)儀器，醫(yī)療器械，電子等新領(lǐng)域，且愈發(fā)朝微型化發(fā)展，因此對材料在納米尺寸下的力學(xué)性能也是我們關(guān)心的重點。
　　本文為了研究復(fù)合加載以及納米壓入下PMMA的力學(xué)性能。通過萬能材料實驗機、SHPB、Nano-indenter G200三種實驗儀器分別對傾斜薄六面體、斜圓柱試樣以及有機玻璃薄板進行實驗研究。具體工作如下:
　　(1)通過萬能材料實驗機分別對

3、有機玻璃不同形貌的薄板試件（正六面體、斜六面體以及帽子形試件）進行單軸壓縮，以此得出有機玻璃在不同實驗技術(shù)（單軸壓縮、壓縮-剪切、純剪切）下的變形模式。加載條件的不同導(dǎo)致其破壞機理的差異從而造成材料表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。此外通過對不同傾斜角下的試件力學(xué)性能的分析，得出:在壓剪復(fù)合加載下材料呈現(xiàn)出明顯的“剪切增強”現(xiàn)象。此外，通過觀察試驗后試件的形貌，得出試件在不同加載下的變形特征，并通過應(yīng)力狀態(tài)分析得出壓縮加載與壓剪加載下試件破壞的主要

4、是剪切屈服，而剪應(yīng)力加載下試件主要是因為拉伸破壞。于此同時，通過應(yīng)力分析解釋了剪切屈服帶形成的原因。
　　(2)通過萬能材料實驗機與SHPB對有機玻璃的不同圓柱形試樣（直圓柱、斜圓柱、帽子形試件）在不同加載速率（v=9.2rm/s、0.4mm/s、0.04mm/s）、不同傾斜角度(5°、10°、15°、20°、25°、30°)、不同實驗技術(shù)（單軸壓縮、壓縮-剪切、純剪切）下材料的力學(xué)性能進行系統(tǒng)的分析研究。得出如下結(jié)論:在單軸壓縮

5、、壓縮-剪切、純剪切三種實驗技術(shù)下，材料均表現(xiàn)出典型的應(yīng)變率敏感性。主要表現(xiàn)特征為應(yīng)變率越大屈服極限也越大。此外對于單軸壓縮與壓縮-剪切加載，v=0.4mm/s、v=0.04mm/s時材料表現(xiàn)為延性變形，v=9.2m/s時材料表現(xiàn)為脆性變形。在壓縮-剪切復(fù)合載荷下，隨著傾斜角的增加，屈服極限減小。且在0°～30°時，不同加載速率下屈服極限呈線性遞減，而且加載速率越高，線性遞減的越快。在同一加載速率下，傾斜角越大，試件越容易屈服，這主要是

6、由于傾斜角越大，剪應(yīng)力也就越大。此外在同一傾斜角下，加載速率越小，越容易屈服。這主要是因為加載速率越小粘性變形越充分，材料越容易發(fā)生屈服。通過對材料進行不同實驗技術(shù)下的應(yīng)力分析得到其在壓剪空間下的屈服面，很好的表征了材料的屈服行為。
　　(3)通過Nano-indenter G200測試系統(tǒng)對有機玻璃在應(yīng)變率為0.01S-1、0.03s-1、0.05s-1、0.1s-1、0.2s-1、0.3S-1和0.5s-1時進行了分析研究。并

7、分別對加載、保載以及卸載三個階段材料的力學(xué)性能進行討論。得出在加載階段，載荷、硬度均隨著應(yīng)變率的增加而單調(diào)遞增，彈性模量在應(yīng)變率低于0.2s-1時也隨之增大。在保載時，材料蠕變位移趨于穩(wěn)定時其穩(wěn)定值也隨加載應(yīng)變率的增加而增大。之所以會表現(xiàn)出蠕變位移的加載應(yīng)變率相關(guān)性。主要是因為高加載應(yīng)變率下，材料在加載階段會累積一定的粘性變形。這些變形會在保載階段轉(zhuǎn)變?yōu)槿渥冏冃巍Ｔ谶@種情況下加載應(yīng)變率越高其累積的粘性變形也就越大，轉(zhuǎn)變的蠕變變形也就越大