环氧树脂／聚氨酯梯度材料的残余热应力分析

       采用有限元方法( Finite  Element Method)对环氧树脂／聚氨酯(EP/ PU)梯度材料在制备过程中产生的残余热应力进行了分析。详细讨论了梯度层数目对应力大小的影响。研究结果表明：当体系中EP和PU组成相同时，梯度材料缓和热应力的效果比双层材料显著。且梯度材料的热应力缓和效果随梯度层数增加而增加。

       高分子材料在应用过程中，能够耐热的塑料往往脆性大，尤其是在低温环境中使用时易开裂。而橡胶类的弹性体虽然有很好的回弹性，温度一旦升高，出现发粘，强度急剧下降。无论是塑料还是橡胶能够应用的温度范围都只有几十度。对于一些热障材料，例如寒冷地区运输管道，航空器用材料及其它保温材料等，通常在非均匀的温度场中使用，材料的不同部位要同时承载从零下几十度的低温到一百多度以上高温，单一塑料或橡胶品种都不能满足应用需要。如果将塑料和橡胶加工成梯度材料，塑料面承受高温，而橡胶面承受低温，二者
之间进行塑料和弹性体的逐渐过渡设计，问题将迎刃而解。

       环氧树脂(EP)是典型的热固性塑料，用芳香族胺固化的EP产物玻璃化转变温度(Tg)在160°C左右，聚氨酯(PU)是典型的弹性体，用芳香族胺交联的PU弹性体的Tg在一54°C左右。EP/ PU的共聚物中，随EP/ PU二者含量不同，产物的弹性模量变化范围可从2.8 GPa到6.9MPa，变化幅度40倍，玻璃化转变可从160°C至 - 54°C，相差200°C。

       由于EP/ PU体系有较宽的玻璃化转变和弹性模量变化范围，因此我们设计了玻璃化温度渐变的EP/ PU梯度材料。作为隔热环境下使用的梯度材料，在制备和服役过程中所产生的热应力的大小及其分布状况是制约材料性能的关键因素，同时也是进行梯度功能材料优化设计的主要理论依据和评价标准[3-5]。因此研究EP/ PU在制备中产生的残余热应力就具有十分重要的意义。

       本文利用有限元法(FEM)计算了材料在固化过程中的残余热应力，考察了梯度层数对热应力的影响，得到了热应力缓和的最佳梯度结构。

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