[发明专利]一种预测复合材料机械性能的理论计算方法

说明书

本发明公开了一种预测复合材料机械性能的理论计算方法，本发明采用了宏观力学方法，建立颗粒填充的高分子复合材料的连续介质理论模型，利用该模型研究了单轴拉伸的力学性能，分析了温度和拉伸速率对力学性能的影响。并且通过与实验数据对比，发现该模型可以定量预测不同温度和不同颗粒体积填充下高分子复合材料的屈服应力和抗拉强度等力学性能，研究结果对聚合物基复合材料的宏观性能预测和工程应用具有重要的理论指导价值。本发明用理论计算来指导试验，从而缩短试验总时间，减少试验量，减少人力和物力成本，以解决现有技术中试验耗时长，试验量大，耗费大量人力和物力的问题,并且考虑到能够指导不同的温度下的试验，提高安全性和操作性。

技术领域

本发明涉及复合固体推进剂技术领域，具体为一种预测复合材料机械性能的理论计算方法。

背景技术

含能聚合物基复合材料的力学性能是保证其他性能可以发挥的基本性能之一，由于其优异的力学性能，被广泛应用于航空航天、工业制造和军事国防安全领域。复合固体材料是由聚合物作为基体连续相，无机氧化剂和金属添加剂等固体填料作为分散相，以及聚合物基体与固体填料形成的界面相组成的含能复合材料，因此其力学性能受粘结剂基体网络结构的界面特性的影响

然而，现有的复合材料的计算存在四个问题：

(1)完全依赖于实验数据，大量的穷举耗费大量的人力物力财力

(2)实验室无法创造低温或者高填充颗粒的实验条件

(3)模拟方法由于尺度和试验相差太大，无法直接进行描述和预测

(4)理论方法独立的进行预测，而缺乏模拟和试验的支持和验证

因此，我们建立了一种新的温度和拉伸速率依赖性统一模型，并与分子动力学模拟外推计算进行校正比较。其次，通过对比不同温度和应变速率下的实验屈服强度，验证了模型的有效性，利用仿真得到的参数建立的理论模型可以更好地模拟现有高分子材料在不同温度和拉伸速率下的应用。最后，将其扩展到温度依赖型复合含能聚合物体系，模型具有良好的预测效果；本研究为预测极端条件下非晶聚合物屈服强度、仿真计算、理论支持提供了一种参数获取方法，有助于结构材料的可靠性仿真分析，有望进一步建立含能聚合物基复合材料力学性能数据库。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预测复合材料机械性能的理论计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种预测复合材料机械性能的理论计算方法，包括以下步骤：

S1:高分子基体和复合材料的应力具有以下关系：

S2:这里和σ₀分别是高分子基体和复合材料的拉伸应力，固体添加剂的体积分数为φ＝(43)π(nr)³.，所以，方程有

S3:由于颗粒和聚合物网络之间的相互作用，上述方程变为

S4:这里B是描述交互强度的系数，如果填料颗粒具有粒度分布r_i(i＝1,2,…,N)和体积分数分布φ_i(i＝1,2,…,N),等式变为

这里φ＝(φ₁,…,φ_N).，k是一个校正器参数,ρ_i是质量密度，S_i是比表面积，上面的等式给出了固定温度的良好预测。

S5:任何温度下的屈服应力和断裂应力T可以写成

S6:A是温度相关系数，由下式给出