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1、丙烯酸介电高弹聚合物与偶氮苯液晶高弹聚合物力学性质的研究 论文作者签名: 墓骛指导教师签论文评阅人:逝丝圣些查耋么至塑墨邀评阅人:评阅人:评阅人.评阅人:答辩委员会主席:逝鎏查望么超圣二丛拯委员:委员:委员:委员.盟盟垭挝啦龃逝犁委员:答辩日期:限.:巡嗵堕 一:踯邀 嶝坐:、.%浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明
2、并表示谢意。签字日期:学位论文作者签名:毒无端 如厅年弓月/日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 有权保留并向国家有关部门或机构送交本澎鎏盘堂论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书导师签名:学位论文作者签名:毒元端诺辑也签字日期:烈年月甲日签字日期:妙多年了月午日摘要摘要软物质是处于理想流体与固体之间的一类物质,一般由大分子或基团组成,包括液晶、聚合物、胶体以及生命体物质等。介电高弹聚合物与液晶高弹聚合物是研究中常见的
3、两种软物质材料,它们在外界的刺激下能可逆的改变自身的形状,可用于制作各类驱动器、传感器和人工肌肉等。本文研究了介电高弹聚合物材料喇单轴拉伸下的相关力学性质,设计了偶氮苯液晶高弹聚合物的光电转器件模型并研究了其光一力一电耦合性质。研究表明,薄膜材料单轴拉伸应变达%时,材料表现出了较好的弹性及粘弹性恢复能力,材料所承受的最大拉力在高速率拉伸时是随着尺寸增加而缓慢递减的,在低速率拉伸时基本保持不变。薄膜材料拉伸断裂时,裂纹扩展速率及裂纹刚开始扩展时所需驱动力均受到样品尺寸、预裂纹长度以及拉伸速率三方面因素的影响;样品尺寸及预裂纹长度一定时,裂纹刚开始扩展时材料的拉伸应变几乎不受拉伸速率的影响。对含预
4、裂纹的。薄膜材料进行准静态位移加载下的有限元模拟分析表明,八类实验样品在裂纹刚开始扩展时裂尖处纵向上的最大应变值几乎是相同的,均处于.至.范围内。光电转换器件模型的光一力一电转换理论分析表明,当一定光强范围内紫外光沿径向方向照射时,该器件模型产生的感应电荷量与紫外光光强厶呈线性关系;器件模型光电耦合系数仅其内外半径、的相对大小、器件的轴向长度从层的厚度、铁电驻极体的压电系数以,以及相关材料参数有关。关键词:介电高弹聚合物,液晶高弹聚合物,粘弹性,型断裂,光电耦合 , , .,. . , ., , . / % . : : ,. ,. . ., ., ,.,: ,目录摘要?.?.?.?.?.?.目
5、录.第一章绪论.研究的背景及意义?。.软物质?.功能软物质材料.介电高弹聚合物.介电高弹聚合物材料简介.介电高弹聚合物材料研究现状.液晶高弹聚合物.液晶高弹聚合物材料简介?.液晶高弹聚合物材料研究现状?.本文的研究目的和内容第二章实验过程及研究方法?. .实验原料及设备.实验原料.实验设备.样品制备.。?型拉伸样品的制备?. .预裂纹型断裂样品的制备.样品测试及分析第三章丙烯酸介电高弹聚合物力学性质研究?.引言?.实验部分.样品制备.丙烯酸介电高弹聚合物力学性质测试.结果与讨论?.型样品形变研究.型样品力学测试分析?.本章小结第四章丙烯酸介电高弹聚合物断裂失效研究?.。引言?.实验部分.样品制
6、备?一.丙烯酸介电高弹聚合物断裂失效测试.有限元模拟?.结果与讨论?.预裂纹型断裂样品扩展过程?.。预裂纹型断裂样品力学测试分析.预裂纹型断裂样品有限元分析?.本章小结第五章液晶高弹聚合物和铁电驻极体复合结构器件设计?.引言?.铁电驻极体材料简介.复合结构光电转换器件模型及分析?.?.器件模型设计.液晶高弹聚合物光力耦合性质.器件数学模型分析?.结果与讨论?.本章小结第六章结论.参考文献?.致谢.个人简历?.攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果?第一章绪论第一章绪论.研究的背景及意义.软物质人类文明的进步是伴随着新材料的发现和应用而取得的。世纪开拓了对物质世界的新认识,通过对传统“硬
7、物质”如金属、陶瓷、玻璃等的研究、开发和利用,科学技术的发展及社会生活的面貌有了质的飞跃【】。然而,另一类很重要的物质,它与我们的生产生活也同样息息相关,但我们对它的研究认识总体上还是比较少的,这就是“软物质。软物质是什么呢物理学家们在世纪年代末将软物质作为一类普遍的”,这一叫法是不够恰当物质形态研究时,曾称其为“复杂流体的,因为人类最早接触到的软物质一一橡胶,就不是流体,但是这一称谓却很好的表明了软物质诸多主要性质中的两点:复杂性,从某种原始意义上说,当今生物学的研究是从简单的模型体系细菌,逐渐发展到植物、无脊椎动物、脊椎动物等复杂多细胞生物的。类似的,在本世纪前半叶原子物理研究不断分化的进
8、程中,其中的一个研究发展方向便是软物质系统,它的研究对象包括表面活性剂、聚合物、液晶以及胶状晶体等。构成软物质的基元大多数是化学结构比较复杂的链状和支状分子,例如各种聚合物分子等,这些分子自身具有不同的功能团,比如两亲分子的不同部位对周围介质环境有着不同的响应,自组装形成了多种多样复杂的结构,如蛋白质分子的空间折叠、胶体悬浮液中胶体颗粒所形成的分形结构、镶嵌聚合物的奇特结构等。柔韧性,这可以用一个具体的实验故事来说明。故事起源于约年前,当时生活在亚马逊河流域的印第安土著人,他们收集三叶胶树中的树汁,然后将树汁涂到脚上,大约分钟后,这种奇怪的液体就凝成了一双合脚的靴子。这一点可以从微观上来解释,
9、三叶胶树汁中含有大量独立的柔性高分子链,在空气中高分子链里的碳原子和氧气发生反应,建立了一些“氧桥”将高分子链连接起来,既而出现了故事中所述的惊人变化:三叶胶树汁从液体变化成可以承受拉伸的网状结构一一现在称为橡胶。上述实验故事向我们阐述了一个令人惊叹的事实,即非常轻微的化学作用能够诱发极大的力学性质变化一一这就是软物质的典型特性。软物质这一概念是著名法国物理学家. ,在年诺贝尔颁奖浙江大学硕士学位论文典礼上提出的。顾名思义,软物质就是形态易发生变化的物质,对其施加很小的刺激,它就会表现出很大的变化,是介于理想流体和固体之间具有一定流动性的一类物质。软物质与人们的生活息息相关,例如橡胶、墨水、人
10、造纤维、饮料、洗涤液、乳液以及药品和化妆品等;生物体基本上也都是由软物质组成,例如体液、细胞、蛋白质等;在工业生产上软物质也有着广泛的应用,如液晶、聚合物等【】。世纪是生命科学的世纪,然而,任何生命结构蛋白质、等等都是建立在软物质基础上的。软物质作为人类未来技术中的重要组成部分和生命本身不可或缺的基石,它的许多新奇行为、丰富的物理内涵以及广泛的应用背景引起了越来越多物理学家的兴趣。软物质物理已经成为物理学的一个新的前沿学科,是具有挑战性和迫切性的重要研究方向。软物质的研究不仅限制在物理界,软物质科学还涉及了力学、生物、材料、化学等多个领域,对软物质的深入研究,将对化学化工、医学、药学、生命科学
11、、食品、材料、环境、工程等领域及人们的日常生活有着广大的影响。.功能软物质材料功能材料是新材料领域的核心,是国民经济、社会发展和国防建设的基础和先导。它涉及了信息技术、生物技术、能源技术、纳米技术、计算机技术等现代高新技术及产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的支撑和推动作用,还对我国相关传统产业的升级和改造,实现跨越式发展起着重要的促进作用。它是指那些具有优良的电学、光学、热学、声学、磁学、力学、生物医学等功能,有着特殊的物理、化学、生物学效应,并且能完成功能间的相互转换,主要用于制造各种功能元件被广泛用于各类高新科技领域的高新技术材料。在日常生活中常见的功能材料例子包括:照像机胶卷上
12、的感光材料,日光灯管内壁的荧光材料,汽车水箱上温度监视系统中的温敏电阻等。功能材料的应用和发展,极大的改变了人们的生产、生活方式,同时也拓展了人类的生存空间。随着人类社会的发展与科学技术的进步,功能软物质材料,作为一种新型的功能材料受到了人们的广泛关注。功能软物质材料除了在受到外界刺激能产生相应的功能响应外,还拥有着软物质所特有的某些性质,譬如结构复杂、质地柔软。类似于传统硬质功能材料,功能软物质材料对外界的刺激紫外光、温度场、电磁场、机械载荷等能够产生不同形式的功能响应,例如,电磁流变液,这是一种固体粉末和液体混合物体系,通过改变所施加的电场或磁场强度,能够连续调节其软硬程度【引,并且响应时
13、间非常快,这种奇特性质,可应用于机电一体控制的一些元件或部件,像离合器、减震器、机器人、制动器等。较传统的硬质功能材料而言,功能软物质材料还有着如下的优点:在很小的刺激作用下能产生较大的功能响应,密度较小、制造成本低廉,承受变形的能力较大,具备优第一章绪论良的生物亲和性等。功能软物质材料在实际工程应用中十分广泛,在石油开密封、微流体药品输送、智能柔性机器人、潮汐能源收集等方面都可见到它们的身影。此外,功能软物质材料的应用前景也很大,在柔性电子、智能仿生、航空航天、生物医药以及新能源等领域都将占有一席之地【。在进一步的应用及研究发展中,可以将功能软材料与一些结构材料结合起来,实现传感、机械运动和
14、控制等的一体化,使复合后的构件具有承载一定功能的同时,还具有特殊的感知和响应功能,能够感知捕获构件所追踪的信号并作出相应结构或形状上的改变,实现构件的自动化或智能化。实验研究中常见的功能软物质材料有:形状记忆聚合物,铁电驻极体,电磁流变液,铁电聚合物,功能水凝胶,液晶高弹聚合物,介电高弹聚合物等。表.中简要介绍了几种功能材料和其相应的响应方式及现象【。表.功能软物质材料及其响应方式和响应行为【。.:巴。?一, 一。为:一 .之 为一一圜:隳黑塑 雾黪辫茏囊幽 浙江大学硕士学位论文也可以使上述驱动器完成更为精细的工作【】。当人们的肌肉由于各种原因而失去工作能力时,传统的这些驱动技术并不能发挥出与天然肌肉相类似的性质。较传统驱动材料不同的是,功能软物质材料在受到外界微小刺激时能迅速较大的改变自身状态,外加刺激消除后,又能马上恢复原来的面貌,这些都与天然肌肉的性.质非常相似。 等人研究并对比了一些功能软物质材料与天然肌肉的性能指标【】如下表.所示,发现
