低静水压下空心热塑性微球填充弹性体基复合材料的压缩性能研究

本文研究了空心热塑性微球(HTMs)填充弹性体基复合材料在低静水压(0.8 MPa)下的压力-体积响应特性。通过独创性实验装置结合氮气加压与数字图像相关(DIC)技术，首次揭示了微球连续屈曲产生的宏观临界压力与浓度无关，并发现卸载路径的拐点压力与微球体积分数相关。这些发现为建立该复合材料的本构模型提供了关键实验依据。

　　

低静水压下空心热塑性微球复合材料的压缩行为

ABSTRACT

研究团队开发了结合氮气加压与数字图像相关(DIC)技术的实验装置，系统研究了聚氨酯弹性体基体中不同体积分数(5%-25%)空心热塑性微球(HTMs)在0.8 MPa静水压下的压力-体积响应。结果显示，材料呈现显著滞回曲线，其面积随微球含量增加而增大。

1 Introduction

在深海装备和水下声学应用中，聚合物基固体浮力材料(PMSBMs)的性能至关重要。传统研究多采用单轴测试间接评估静水压响应，而本研究首次实现了直接测量。实验选用六种HTMs体积分数的聚氨酯复合材料，通过气体置换比重计精确测定实际体积分数。

2 Methods

2.1 Materials and Samples

采用水射流切割制备直径30mm、厚度30mm的圆柱试样，表面平整度控制在0.05mm内。通过AccuPyc 1345比重计测定实际微球体积分数，与标称值偏差在允许范围内。

2.2 Experimental Set-Up

创新性实验系统包含：

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  氮气加压容器（BCT-22-10B-V压力传感器）

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  29MP高分辨率相机（AVT Prosilica GT 6600）

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  光学测量系统（Opto-Engineering TC16M056镜头）

  UFreckles软件采用Q4P1单元进行DIC分析，通过平面应变推算体积变化ΔV/V₀=(1+ε₁)(1+ε₂)²-1。

2.3 Loading Conditions

采用3小时线性加压(0→0.8MPa)和7小时指数卸压的循环加载，温度波动控制在1.5°C以内。

3 Results and Discussion

3.1 Change in Volume vs. Pressure Curves

所有材料均呈现典型滞回曲线，15%HTMs样品表现异常。滞回环面积与微球含量呈正相关，从5%到25%增幅达300%。

3.2 Quantitative Analysis

采用Ramer-Douglas-Peucker算法和分段线性回归两种方法分析：

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  加载路径：宏观屈曲压力稳定在0.35±0.03MPa，与浓度无关

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  卸载路径：拐点压力从5%的0.52MPa降至25%的0.41MPa

  特别发现15%HTMs样品在两种测试中均表现异常，推测存在制备缺陷。

4 Concluding Remarks

研究证实HTMs的宏观屈曲压力仅与微球几何参数相关，而卸载拐点压力受体积分数调控。这些发现为建立精准的本构模型提供了实验基础，尤其对水下声学装备的优化设计具有重要指导意义。

Appendix

附录详细展示了各浓度样品的加载/卸载曲线分析过程，包括：

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  曲线简化算法对比

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  斜率变化计算

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  二阶导数临界点识别

  为相关研究提供了可复用的分析方法论。