微孔发泡材料是当下材料科学中一个重要研究对象。由于其良好的吸能、吸音等性能,在各个领域都有着极其广泛的应用。我们主要研究的内容包括:发泡材料的压缩应力-应变关系,发泡材料的能量吸收,发泡材料的应力松弛等方面。
发泡材料的能量吸收问题
在压缩过程中,作用在发泡材料的功转化成系统潜在的能量或热能。当压缩到一定应变时,应力对发泡材料所做的单位体积功等于在该应变下应力应变曲线下的面积,也称为发泡材料的能量吸收容量,是应力和应变的函数。发泡材料不同于实心固体材料最大的差别就是在压缩过程中具有较宽的塌陷平台,这导致在压缩过程中发泡材料具有较高的能量吸收的能力。
在相同的应变下,发泡材料的能量吸收能力是随着发泡材料的相对密度的增加而升高。这种高的能量吸收能力是以牺牲较高的传递应力而达到的。事实上发泡材料用于对外来作用力的吸收主要用于对物体的保护,因此在实际的应用中,发泡材料的吸收能力是受到最大允许应力所限制。对于不同相对密度的发泡材料而言,发泡材料的能量吸收与允许应力之间的变化关系比较复杂。在较低的允许应力下,相对密度较低的发泡材料其较高的吸收能量的能力源于发泡材料本身较大的变形。在较高的允许应力下,较高相对密度的发泡材料具有较高的能量吸收能力主要是因为发泡材料具有较高的模量以及在大应力作用下较高的变形性。相应的对于相对密度较低的发泡材料,在较高的允许应力下早已经步入密实化阶段,在高应力作用下的应变变化很小,因而对能量的吸收能力降低。发泡材料的能量吸收能力是与发泡材料的相对密度和允许应力有密切的关系,一旦最大的允许应力确定,发泡材料的密度就决定了最适宜的吸收能量能力的大小。
发泡材料的应力松弛
应力松弛,就是在恒定温度和形变保持不变的情况下,材料内部的应力随着时间增加而逐渐衰减的现象。应力松弛是粘弹性材料的重要力学特性之一。应力松弛包括物理松弛和化学松弛,前者为分子链段运动及重排,后者为链断裂或交联键断裂或形成新的交联键。在较低的应变下的松弛行为主要是物理松弛。高聚物应力松弛的本质是其分子链沿着外力方向运动以减少或消除内部应力的过程,分子链段运动的快慢直接制约着应力松弛速率的大小。发泡材料其应力松弛不仅包含分子链段的松弛,还包含有因气体扩散而导致的应力下降,即在压力的作用下,发泡材料体积被压缩,泡孔内气体压力上升,导致气体通过泡壁向外扩散,从而导致泡孔内的压力降低、应力下降。对于交联橡胶的应力松弛的理论模拟目前较多,一般是采用松弛时间(z)作为标准衡量松弛快慢,无论是物理松弛还是化学松弛都可用应力衰减到起始应力的e-时所对应的时间作定量的描述。不同密度发泡材料的平衡应力随着发泡材料的相对密度的下降而上升,橡胶材料的应力松弛时间明显呈现多分散性,不同相对密度下橡胶基材的应力松弛时间和表观松弛强度差别较小。
发泡材料的断裂
不同发泡材料的破裂形式不同,低密度发泡材料呈脆性破裂,尤其是在动态负荷下,而高密度发泡材料在各应变速率下显示以剪切导致的破裂。低密度发泡材料的破裂是由早期大泡孔的断裂控制的,大泡孔的破裂引发了样品宏观上的破坏;高密度样品显示更均匀的形变和韧性断裂。高应变率下,低密度发泡材料显示随机宏观破裂,说明破裂行为不是剪切造成的;而高密度发泡材料的破裂是由剪切造成的。高应变速率下,发泡材料显示增强的屈服应力和破裂强度。在考察的应变速率范围内,随着应变速率的增高,高密度发泡材料的破裂应变减小。密度越大,破裂强度对应变速率越敏感。另外发泡材料的破裂应力与应变速率的对数为近似的直线关系,弹性模量随着应变速率的增加而增加。