大学生创新项目结题总结报告

结题总结报告

1 项目总体进展情况

1.1项目研究进度

2006.06~2006.09 文献的检索与调研及资料收集；

2006.09~2006.10 方案确定及完成试样的加工；

2006.10~2007.6 完成大部分主要实验；

2007.6~2008.2 完成论文形式的研究成果；

2008.2~2008.5 项目总结及结题。

本项目基本按照总体进度进行。由于指导老师及主要研究成员多年来一直从事固体多孔材料的理论和实验研究，掌握了此领域国内外的研究现状和发展趋势，作了大量的前期准备工作，对泡沫材料的力学性能及破坏机理进行了初步的研究，获得一些初步进展和成果。本项目在研究中制定了切实可行的、详细具体的实施方案，取得了预期的研究成果。

1.2 参加项目的主要研究成员

项目主持人：***

参加项目人员：伍林

1.3 项目的研究内容

1、选用三种不同密度的发泡性聚苯乙烯泡沫（EPS），在不同应力水平下进行单轴压缩蠕变实验。

2、在上述实验的基础上，采用求解线黏弹性问题的方法，求出包含密度和应力影响的蠕变模型，得出密度和应力对蠕变的影响。

2.项目已完成的主要工作

（1）完成上述的单轴压缩蠕变实验；

（2）在上述实验基础上，研究泡沫材料的密度和应力与压缩蠕变的相依性。

3、项目研究情况

3.1 泡沫材料的力学性能研究现状

对泡沫聚合物力学性能的进一步研究有利于改进生产制备的技术；为材料及工程设计提供理论依据和参考；还可发现材料新的性能，进一步拓展材料的应用范围。泡沫材料是一个前沿研究领域，倍受理论界和工程界的广泛关注和极大重视。上世纪90年代至今，更成为研究热点。较早的理论研究是1963年Gent和Thomas 对泡沫弹性材料力学性能的研究。非周期蜂窝材料的弹性性能由Sliva 等进行了研究。Simon等考察了单胞尺度上的有关力学性能(强度、模量)以及细观缺陷对宏观力学行为的影响，模拟、讨论了孔壁质量分布、弯曲和褶皱对泡沫聚合物刚度、强度的影响。Warren和Kraynik根据规则蜂窝结构中胞元周期性重复排列的特点，得到了相应结构的宏观等效弹性参数近似解析解。国内，北京航空航天大学固体力学所的卢子兴教授对聚氨酯泡沫聚合物和聚苯乙烯泡沫聚合物作过一系

列力学实验与理论分析；另外，中国工程物理研究院、东南大学、西安交大等对泡沫聚合物都作过一定的研究。

关于泡沫黏弹性能的研究也有一些，如Hart 等应用时-温叠加原理预测了聚苯乙烯泡沫塑料的长期压缩蠕变行为；而D’amor e 等研究了高密度热固型聚酯泡沫塑料的弯曲蠕变性质；Gibson 和Ashby 等也考虑了相应的蠕变问题。而Milte 和Ramon 研究了泡沫塑料的松弛特性，提出了获得泡沫塑料松弛曲线的简单快速的方法。

由于在泡沫塑料的使用中经常受到动态载荷以及不同温度环境的作用，因此需要了解材料在不同应变率和不同温度下的力学性能。Burchett 较早(1967年)研究了泡沫塑料的应变率和温度效应，他针对硬质聚氨酯泡沫塑料进行了5种应变率的实验(5×10-3、5×10-2、5×10-1、5、50s-1)，实验的温度范围是：15.6~115.6C -，

泡沫塑料密度为3

0.32g c m 。实验结果表明，屈服应力随应变率增加而增加，随

温度增加而降低。并且在82.2C 以下随应变率增加，材料失效模式由流动失效类型转变为脆性爆炸型失效，而在82.2C 以上时，只有流动类型失效发生；这说明温度对失效类型的转变起着根本的作用。

在此之后，应变率效应的研究引起人们的重视，相继发表了一系列文章讨论这一

问题。Green 等在较大的应变率范围内(

33-1

10~10s -)实验研究了聚氨酯泡沫塑料的静、动态力学性能；所用材料包括硬质和半硬质两种，最大密度不超过

30.25g cm ，并且是闭孔的。除聚氨酯泡沫塑料显示应变率效应外，他们还得出

一些重要结论：①较高密度的材料屈服后存在一个应力降，并且随应变率增加更为明显。②屈服强度与材料密度之间近似满足抛物线关系。③半硬质泡沫塑料在所有应变率下可产生很大的均匀压缩，屈服后几乎没有应力降。④硬质泡沫塑料在拉伸下相当脆(应变不到5％)，不存在塑性流动，最大应力发生在断裂处，并且硬质泡沫塑料的断裂应力几乎与应变率无关。⑤半硬质泡沫塑料动态应力—应变曲线与硬质的差别是，应变率超过-1

1.0s 时，断裂应力快速增加。虽然，Green 等由SHPB 实验装置没能得到高应变率加载下泡沫塑料的应力—应变曲线，但却给出高速变形下材料破坏机理的讨论。中应变率的压缩实验表明，硬质泡沫塑料在表现延性和脆性之间有一跳跃。而在高应变率加载下，硬质泡沫塑料一般以爆炸方式破裂。

Rao 等专门研究了高应变率加载下软质泡沫塑料的力学行为。他们通过实验确定了25％应变下泡沫密度，胞体尺寸、应变率和应力的关系；还研究了泡沫塑料试件高度与面积关系的改变对泡沫塑料应变率性质的影响和预压缩对高应变率实验的影响问题。而Melvin 和Roberts 的实验研究包括了聚乙烯泡沫、丸状聚苯泡沫

等几种材料，它们均为闭孔型的，密度为

3

0.017~0.184g c m

；实验应变率为

02-1

10~10s；他们将应力-应变曲线分成3种类型（见图1），其中软木泡沫、丸状聚苯泡沫的应力-应变曲线属于平台型(上面曲线），聚乙烯和乙烯基泡沫属于强化型（下面曲线），聚氨酯泡沫塑料的应力-应变曲线属于第3种类型，即含有高峰载荷幅值的平台型。实验结果表明：软木是一种有效的能量吸收材料；除乙烯基泡沫外，其它泡沫塑料的性质不随速度的增加而有明显的增加。

图1 应力-应变曲线类型

Phillips和Waterman的工作考虑了温度的效应，他们研究了高密度聚氨酯泡沫塑料的模量和屈服性质。实验结果表明：所用试件温度低于软化点的温度时，得到的应力-应变曲线出现两个屈服点，第一个屈服点归结为较弱的表面胞体的屈服，第二个屈服点对应试件整体屈服的开始．而且随温度增加，模量和屈服点都降低。他们还确定了软化点的温度，它随密度的增加而降低。

关于温度和应变率对泡沫塑料力学性质的影响，Gibson等把温度和应变率的影响分成两类：一类是与泡沫塑料基体性质有关的所谓“固有的”温度及应变率效应，一类是与胞体内流体(如空气)有关的温度和应变率效应。文中还给出粘弹性响应及蠕变等情况下，考虑温度和应变率效应的一些实用公式，这里不再详述。

3.2试验方法

本实验使用的发泡型聚苯乙烯泡沫塑料材料来自于北京市北泡轻钢建材有限公

司，密度分别是

333 123

12kg/m,20kg/m,25kg/m ρρρ

===

。

该压缩蠕变实验以CSS-44020电子万能实验机（实验温度为10℃）为平台，分别

对三种不同密度（

333

12k g/m,20k g/m,25k g/m

）的EPS进行不同应力水平

（

30kPa,40kPa,50kPa）下的实验。在CSS-44020电子万能实验机上，将试件置于上下压头间，安装上引伸计，通过EDC100数字控制器选用荷载控制，设置荷载在4秒内迅速达到预定的应力水平值后保持不变，这时试件的变形会随着时间的