Razvoj i primena materijalnog modela polimernih materijala sa svojstvom pamćenja oblika

Abstract

Polimerni materijali sa svojstvom pamćenja oblika (eng. Shape Memory Polymers – SMP) predstavljaju brzo rastuću grupu, čak i među naprednim materijalima. Ova grupa materijala odlikuje se sposobnošću obnove oblika nakon deformacije primenom adekvatnog spoljašnjeg stimulansa. Efekat pamćenja oblika prati složenom termomehaničko ponašanje koje se manifestuje dvojako: izraženom osetljivošću materijala na temperaturu ispitivanja/eksploatacije i osetljivost na brzinu deformacije/ispitivanja. Takođe, materijali sa navedenim svojstvom mogu biti izloženi izuzetno velikim deformacijama (> 300 %) pa se usled toga moraju koristiti formulacije za rešavanje velikih deformacija. Predočeni zahtevi su rešeni u nekoliko koraka (1) Predložen je modifikovani materijalni model sačinjen od više mikromehanizama, koji svaki ponaosob daje odgovarajući doprinos ukupnom naponskom stanju. (2) Za simulacije termo-mehančkog ponašanja polimera sa pamćenjem oblika korišćeno je spregnuto modeliranje povezivanjem programa za strukturnu analizu i prenos toplote, čime se pored efekta pamćenja oblika modelira i porast temperature u materijalu usled plastične disipacije. Kod problema velikih deformacija korišćena je logaritamska deformacija. (3) Multiplikativna dekompozicija ukupnog gradijenta deformacije izvršena je za svaki od mikromehanizama posebno, na elastični i plastični deo. (4) Odlike materijala potvrđene su eksperimentalnim ispitivanjima na uzorcima od PLA i fotopolimera. Izrada uzoraka i eksperimenti su sprovedeni na opremi Fakulteta inženjerskih nauka. Deo rezultata koji nije bilo moguće dobiti usled ograničenja opreme preuzet je iz dostupne literature. Dobro slaganje eksperimentalnih rezultata sa rezultatima modela pokazalo je ispravnost teorijskih pretpostavki i opravdalo formulisanje modela.

Shape memory polymers (SMP) are a fast-growing group, even among advanced materials. This group of materials is characterized by the ability to recover permanent shape after deformation by applying an adequate external stimulus. The shape memory effect is accompanied by complex thermo-mechanical behaviour, which is manifested in two ways: strong temperature and strain rate dependence. Also, materials with this property can be exposed to extremely large deformations (> 300%), so large deformation theory must be applied. These tasks are solved in several steps: (1) A modified material model consisting of several micro-mechanisms is proposed, each of which individually makes an appropriate contribution to the overall stress state. (2) For simulations of thermo-mechanical behavior of SMPs, coupled modeling was used by connecting programs for structural analysis and heat transfer, allowing to model the temperature increase in the material due to plastic dissipation. For large deformation problems, logarithmic deformation was applied. (3) Multiplicative decomposition of total deformation gradient is applied for each micromechanism individually, separating total deformation gradient in plastic and elastic part. (4) Experimental testing is conducted on PLA and photopolymers specimens. All specimen and experiments are produced at the Faculty of Engineering. Missing results which were not possible to measure with given equipment are taken from literature. Good agreement of experiments with numerical results approve theoretical assumptions i accuracy of the proposed model.