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第40卷第2期实验力学Vol.40No.2

2025年4月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSApr.2025

文章编号：1001-4888(2025)02-0163-09

基于声发射技术和有限元分析

的光聚合收缩应力测试研究

彭庆岳，王琨，倪克，王正直

（武汉大学土木建筑工程学院工程力学系，湖北武汉430072）

摘要：光聚合树脂因具有反应条件简单、易于操作等优点，在3D打印、表面涂层和牙齿修复等领

域得到了广泛应用。然而，聚合过程中在材料与基质界面处产生的收缩应力严重影响着光聚合

树脂的服役功效，因此，准确测量光聚合树脂的收缩应力对提高其服役质量至关重要。现有收

缩应力测试方法仅适用于单轴或轴对称条件下收缩应力的测量，难以实现对实际应用工况下三

维应力的测试。本文提出声发射技术结合有限元分析的收缩应力评估方法，并通过该方法证实

了声发射事件数与有限元预测应力的正相关性，验证了模型准确性，并精确预测了树脂与基质

界面处的应力分布；进一步研究表明，无机填料质量分数对光聚合树脂固化过程中三维收缩应

力的影响与基质刚度有关，在低刚度条件下，增加填料质量分数可以有效降低树脂收缩应力，而

在高刚度条件下，填料质量分数对树脂收缩应力的影响较小。声发射技术结合有限元分析的方

法为光聚合三维收缩应力的评估提供了一种新的测试手段，测试结果可为光聚合材料的工艺优

化与功效提升提供科学依据。

关键词：光聚合树脂；三维收缩应力；声发射技术；有限元分析；无机填料

中图分类号：TQ325文献标志码：ADOI:10.7520/1001-4888-24-047

0引言

近年来，光聚合树脂因其美观性和操作便捷性，在3D打印、表面涂层和牙齿修复等领域得到了广

泛应用[1-3]。然而，在实际应用中，树脂在光固化过程中的本征体积收缩受到外界基质的约束，会导致

树脂与基质界面处聚合收缩应力的产生[1-5]。在牙齿修复中，收缩应力会严重影响修复树脂与牙壁的

紧密贴合，诱发树脂与基质界面处微裂纹的形成，严重影响修复体的稳定性和耐久性。鉴于此，准确测

量收缩应力，实现对应力发展的主动控制，对提高树脂的力学性能和临床服役功效具有重要意义]。现

有收缩应力测试方法主要针对单轴拉伸条件下的圆柱形样品[7-10，并将所测得的截面平均应力作为材

料的聚合收缩应力，但是径向收缩引起的截面面积改变和温度导致的截面应力分布不均，会导致测试的

平均应力不能准确反映实际的三维应力状态，目前尚没有方法可以直接测试材料在实际应用场景下的

收缩应力。

声发射技术作为一种灵敏的无损检测手段[11-13]，被广泛用于监测材料固化过程中的微裂纹形成和

扩展[1-16]。在光固化过程中，材料与基质界面的收缩应力会迅速累积，当收缩应力超过界面黏结强度

时，会导致材料脱黏并释放出声信号。通过分析这些声信号，可以定性评估收缩应力的大小。根据LI

*收稿日期：2024-03-19；修回日期：2024-04-01

基金项目：国家自然科学基金项目

通信作者：王正直（1986一），男，教授，博士生导师。主要研究领域：实验固体力学。Email：zhengzhi.wang@whu.edu.cn

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等[17]的研究,声发射事件的总数与张力计测量的一维收缩应力之间存在正相关关系。YANG等[18]使

用单轴条件下测得的收缩应变计算理论收缩应力，发现其与声发射事件呈线性关系。KIM等[19根据

模拟试样的空腔类型，对牙髓压下脱黏现象进行了检测，结果表明，随着C因子（修复体的黏接面积与

未黏接面积之比)的增加，声发射事件数增多。尽管声发射技术能够通过监测界面脱黏产生的声信号来

定性评估材料的应力状态，但该方法无法准确测量材料收缩应力的大小。

鉴于声发射技术的局限性，有限元分析作为一种高效的数值仿真方法[20]，目前已被用于模拟和预

测材料的聚合收缩应力分布。然而，现有的大部分工作只建立了轴对称的有限元模型[21]，没有考虑真

实复杂