填充弹性体网络中损伤与耗散的多机制模型

《International Journal of Engineering Science》：A multi-mechanism model for damage and dissipation in filled elastomer networks

　　

利奥内尔·奥古阿里|郭强|法米·扎伊里|梅清潭|浦山健二

摘要

在多轴和循环载荷作用下，填充型弹性体表现出复杂的力学行为，这是由非线性弹性、粘弹性效应、填料网络演化以及分子尺度损伤机制共同作用所导致的。准确描述这些相互关联的现象仍是本构建模面临的一大挑战，尤其是在考虑各向异性、载荷历史以及填料带来的影响时。本研究开发了一种基于物理的多机制粘性超弹性模型，用于预测填充型弹性体的历史依赖响应。该模型采用网络分解策略，将纯聚合物网络和填充聚合物网络区分开来，每种网络都包含弹性元素和粘性元素。填料团簇网络则用于明确模拟聚合物与填料相互作用引起的局部应变放大现象及其随损伤的逐步演化。该模型整合了多种微观结构机制：链断裂、团簇-链脱粘、填料团簇分解、链粘度以及界面滑动粘度。链断裂过程被视为能量驱动的事件，聚合物缠结则通过基于管结构的模型来描述，而填料网络的重排则通过动态絮凝理论进行建模。该多机制模型的预测能力是通过针对不同填料浓度下的碳填充弹性体系统在多种多轴单调及循环载荷条件下的大量实验数据来评估的。研究特别关注预拉伸和定向重新加载对材料各向异性软化及能量耗散的影响。除了能够再现应力-应变行为外，该模型还能揭示机械退化与电阻率变化之间的直接联系。这一综合框架通过明确捕捉包括团簇-链脱粘、团簇损伤、链断裂以及界面粘性滑动在内的多种相互关联的机制，提升了对填充型弹性体网络的建模水平，有助于理解在不同载荷路径下微观结构演化、各向异性以及机械能量耗散之间的相互作用。