在高温和低温条件下对玻璃态材料进行动态压缩力学测试与表征

《Polymer》：Dynamic compressive mechanical testing and characterization of vitrimers under high and low temperatures

本研究系统考察了维里米尔环氧树脂在-25至75℃及不同应变率下的动态压缩性能，揭示了热-力耦合作用下的力学响应机制。通过对比传统环氧树脂DMP，发现优化配比的V-1.0和V-1.2在低温下抗冲击性优异，高温时因动态键交换滞后导致模量下降。基于ZWT模型开发了温度应变率相关本构模型，经SHPB模拟验证后可有效提升多尺度复合材料性能预测精度。

　　
本研究聚焦于新型可逆网络材料——维里omer（vitrimer）复合材料的动态力学行为及多尺度建模方法。传统环氧树脂因不可逆交联网络而存在脆性大、不可修复的固有缺陷，尤其在高速冲击和宽温域应用场景下性能受限。科研团队通过系统设计实现了维里omer材料的性能优化与机理解析，为航空工程等极端环境应用奠定理论基础。

研究首先通过准静态压缩和应力松弛实验筛选出两种性能均衡的维里omer配方（V-1.0和V-1.2），与常规环氧树脂DMP进行对比。动态压缩测试覆盖-25℃至75℃的温度范围及多应变率条件，揭示维里omer材料在热力学环境变化下的独特响应机制。实验发现，所有材料均呈现显著应变率硬化效应，但维里omer在不同温度区间表现出差异化的性能演化规律。

在低温环境（-25℃至室温）中，维里omer的刚度和强度优于DMP，这源于动态酯键网络在低温下的有序排列。然而低温环境会加剧材料脆性 pulverization（粉化）现象，当温度接近玻璃化转变温度（Tg）时，动态网络交换速率滞后于载荷频率，导致应力释放受阻。这种温度敏感性揭示了维里omer材料的环境适应性瓶颈，为后续配方优化指明方向。

高温环境（75℃）测试则凸显动态网络的另一特性。虽然常规环氧树脂DMP因热软化效应强度下降幅度较小，但维里omer的动态酯键交换机制在微秒级加载周期内仍能维持部分应力承载能力。特别值得注意的是，通过调整环氧/酸酐摩尔比（V-1.2配方中酸酐比例提升至1.2），材料玻璃化转变温度（Tg）显著提高，成功克服了高温环境下的性能衰减问题。这种通过组分设计调控动态网络热稳定性的方法，为开发耐高温维里omer材料提供了新思路。

研究创新性地构建了包含温度、应变率和动态网络交换行为的ZWT非线性粘弹性模型。该模型突破传统粘弹性模型对单一时间尺度的限制，能够描述维里omer材料在宽温域（-25℃-75℃）和高速应变率（0.001-103s?1）下的复杂响应。通过开发专用ABAQUS VUMAT子程序实现模型集成，并采用分离式霍普金森压杆（SHPB）测试进行模型验证，成功建立从微观动态网络交换到宏观力学响应的多尺度关联模型。

实验数据表明，维里omer材料的动态力学行为具有显著的多尺度耦合特征。在低温-室温区间，其动态储能模量（储存模量）较DMP提升约30%-40%，但断裂韧性（KIC）降低约15%-20%。通过引入酸酐组分（V-1.2）可使玻璃化转变温度提升至65℃以上，在75℃高温测试中仍保持比DMP高18%的峰值应力强度。这种温度-性能调控能力源于动态网络的可逆重组机制，当温度超过Tg时，酯键交换速率与加载频率达到动态平衡，形成新的应力承载路径。

研究首次系统揭示维里omer材料在动态压缩过程中的多阶段失效行为。准静态测试显示其应力-应变曲线可分为弹性形变（阶段Ⅰ）、线性硬化（阶段Ⅱ）、动态交联重组（阶段Ⅲ）和最终断裂（阶段Ⅳ）五个特征阶段。在高速应变率（103s?1）下，维里omer的应力松弛速率较DMP快2-3个数量级，这与其动态网络快速响应外部载荷的特性密切相关。值得注意的是，在75℃高温测试中，V-1.2配方展现出优于DMP的断裂韧性，这归因于动态网络在高温下的持续重组能力对裂纹扩展的抑制效应。

基于实验数据构建的ZWT模型成功实现了材料多参数耦合表征。该模型将动态网络交换速率（r_ex）与温度（T）、应变率（ε?）建立函数关系：r_ex = r0·exp[(ΔH/R)(1/T - 1/T0)]·(ε?/ε0)^γ。其中r0为基准交换速率，ΔH为活化能，ε0和γ为参考应变率和相关系数。通过实验标定，V-1.2配方在75℃时的动态网络交换速率达到8.7×10??s?1，较V-1.0提高42%，这与模型预测的15%的刚度提升相吻合。

模型验证阶段采用SHPB有限元仿真，将测得的高温动态压缩数据与模型预测值进行对比。结果显示，在-25℃低温环境（ε?=500s?1）下，模型预测的应力松弛时间常数与实验值误差小于8%；在75℃高温环境（ε?=1000s?1）中，储能模量预测误差控制在12%以内。特别值得注意的是，在应变率超过103s?1时，维里omer材料表现出类牛顿流体的粘弹性特征，其动态粘度（η）随温度升高呈指数下降，而DMP此时已进入完全脆性断裂阶段。

该研究成果为维里omer基复合材料的多尺度建模提供了关键参数库。通过建立材料宏观力学响应与微观动态网络交换行为的映射关系，实现了从分子动力学到连续介质力学的高效过渡。研究揭示的"双效调控"机制——通过酸酐比例调节玻璃化转变温度，同时优化动态网络交换速率——为高性能可逆网络材料设计提供了理论依据。所开发的ZWT-ABAQUS联合仿真平台，可将复合材料宏观力学预测误差从传统模型的25%降至8%以下，显著提升了航空结构部件的数值模拟精度。

在工程应用层面，研究提出的梯度配方设计策略（环氧/酸酐摩尔比1:1.2）使维里omer材料同时满足刚度（压缩模量≥4.5GPa）和韧性（断裂应变≥15%）的航空结构要求。特别在宽温域适应性方面，通过动态网络交换机制的温度补偿效应，使材料在-25℃至75℃工况下的性能波动范围从传统环氧树脂的42%缩小至9%。这种显著提升的环境稳定性，使维里omer复合材料在航空发动机短舱、卫星支架等极端环境部件中的应用成为可能。

未来研究可进一步探索多场耦合作用下的维里omer性能演变，特别是电场或磁场对动态网络交换的调控效应。在数值建模方面，建议引入微观动力学参数（如酯键交换活化能、链段运动能力等）与宏观力学响应的更精细的耦合机制。这些方向的研究将推动维里omer材料在可重复使用航天器部件、智能自修复结构等领域的工程化应用。