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本文以吸收爆炸应力波为目标,选用在抗冲击、抗爆破复合结构领域有着很好应用前景的聚脲弹性体为基体,选用低密度、低成本的粉煤灰空心球为填充体制备了轻质粉煤灰空心球/聚脲(FA/PU)复合材料。利用拉伸试验机、动态力学分析仪(DMA)和超声技术等多种手段系统地研究了其粘弹性,包括其不同应变率下的拉伸性能、低频、高频动态力学性能和松弛性能,分析了相关的影响因素,并合理的选择力学模型对其性能进行了预测与表征,为发展聚脲基复合材料及其实用化提供了理论基础。此外还利用扫描电镜(SEM)和调制差示扫描热分析(MDSC)研究了FA/PU复合材料的微观结构。SEM观察和MDSC分析表明,FA/PU复合材料中粉煤灰空心球分布均匀,与聚脲界面结合良好,且使聚脲微相分离结构中的软段的玻璃化转变温度增加。在10-2s-1～10-4s-1应变率范围内FA/PU复合材料的应变率敏感性强于聚脲,分析认为是由于聚脲“胞壁”的惯性引起附加的应变率效应。FA/PU复合材料的杨氏模量在51～96MPa范围内,比聚脲提高约4%～97%;拉伸强度为34.8～11.3MPa,断裂延伸率为410%～270%,均低于聚脲。本文利用4阶Odgen模型对聚脲及FA/PU复合材料的大应变拉伸行为进行表征,得出了其超弹性本构模型参数,为有限元分析提供前提。利用DMA研究了聚脲及FA/PU复合材料在变温条件(-80oC～70oC)下的低频(1～20Hz)动态力学性能。结果表明:聚脲及FA/PU复合材料的温度谱仅出现一个松弛峰,对应软段的玻璃化转变过程。随频率增加,聚脲及FA/PU复合材料杨氏储能模量增加,损耗模量峰值降低,玻璃化转变温度随logf呈线性增加。复合材料的杨氏储能模量和损耗模量均随粉煤灰空心球体积分数的增加而增加;大粒径粉煤灰空心球填充聚脲复合材料的低频动态力学性能较好。T>Tg时,粉煤灰空心球的作用效果更为显著,相对储能和损耗模量均可达到3.0以上。分析认为基体的本征松弛耗能和界面摩擦耗能是FA/PU复合材料的主要耗能机制。利用时-温转换原理得出了聚脲及FA/PU复合材料的频率主曲线,可知在广阔的频率范围内,复合材料的储能模量和损耗模量均随粉煤灰空心球体积分数的增加而增加,但低频下粉煤灰空心球作用显著,高频下作用较小。采用二次近似法得出了聚脲及FA/PU复合材料的连续松弛时间谱,可知链段运动是主要松弛模式。粉煤灰空心球的加入对主松弛时间和运动模式影响不大,但随粉煤灰空心球体积分数增加,长松弛时间的运动单元贡献加大,且T>Tg时的表观活化能增加,均说明粉煤灰空心球的加入限制了聚脲基体中部分链段的运动,使其松弛时间变长。聚脲及FA/PU复合材料的高频(1MHz)动态纵向、剪切、体积模量均随温度的增加而降低,泊松比随温度的增加而增加。粉煤灰空心球的加入使复合材料的动态纵向和剪切模量增加,泊松比降低,但对动态体积模量影响很小。聚脲及FA/PU复合材料的高频杨氏储能模量实测值与频率主曲线预测值有较好的一致性,而杨氏损耗模量的实测值明显高于预测值。Hashin复合球单胞模型能较好地预测复合材料的高频杨氏储能模量,但预测的杨氏损耗模量误差较大。准静态压缩实验表明,由于粉煤灰空心球的破碎,FA/PU复合材料可以将应力保持在较低水平下,吸收大量能量。聚脲及FA/PU复合材料的准静态体积模量和动态模量(1MHz)随应力的增加而近线性增加;低压力时,频率对复合材料体积模量影响显著;压力增加,频率的影响减弱。准静态应力松弛实验(ε=1%)表明,聚脲及FA/PU复合材料的松弛速率随温度的降低而增加,应力保持率则降低。随粉煤灰空心球体积分数的增加,复合材料的初始应力增加,但松弛速率也增加,因此复合材料的应力保持率在Vf=10%时有峰值。粉煤灰空心球粒径增加,对松弛速率影响很小,但使初始应力降低,因此复合材料的应力保持率降低。利用时-温转换原理得出了聚脲及FA/PU复合材料的松弛主曲线,研究表明,随着粉煤灰空心球体积分数的增加,复合材料松弛主曲线的时间跨度减小,松弛模量增加。利用分数阶导数模型表征了聚脲的松弛行为,并将其与Einstein模型和Guth模型相结合,得出了FA/PU复合材料的松弛模量E(t)与粉煤灰空心球体积分数Vf和基体性能参数E0、E1之间的关系,并建立了其数学模型: E (t )= A+B/(Γ(1-0.2367)t0.2367),式中A = (1 +2.786Vf)E0, B = (1 +2.5Vf +14.1Vf2 )E1。