微管道CFRP復(fù)合材料的制備、表征與自修復(fù)研究.pdf

1、輕質(zhì)、高強、高韌碳纖維增強樹脂（CFRP）復(fù)合材料可取代傳統(tǒng)的金屬材料用作航空結(jié)構(gòu)件，性能優(yōu)良、效果顯著。多功能性的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)兼具機械、化學(xué)與熱性能，可滿足下一代特定的、苛刻的機身要求。具有微管道網(wǎng)的復(fù)合材料是當(dāng)前最具潛力的技術(shù)，可在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中有效地賦予自感應(yīng)、自修復(fù)或主動冷卻等額外功能。其中，自修復(fù)尤為重要，它可以有效地降低復(fù)合材料中微小的損傷帶來的風(fēng)險，降低大部分潛在的危險。復(fù)合材料新增加的性能取決于管道的直徑、間距、密度、方

2、向、類型以及管道的制備方法，這些通常會降低復(fù)合材料的機械強度。另外，只有少數(shù)可用的技術(shù)能在復(fù)合材料中制備微管道，其中大部分的技術(shù)只能制備基本的、垂直的管道且會造成機械強度的大幅度降低，在自修復(fù)領(lǐng)域中要盡量避免。為了促進更廣泛的應(yīng)用，有必要開發(fā)新的，具有優(yōu)勢性的制備方法或工藝來制備簡單或復(fù)雜的微管道網(wǎng)絡(luò)，隨著微管道網(wǎng)絡(luò)的加入不會造成結(jié)構(gòu)強度的大幅度降低。也有必要仔細地分析微管道的引入和相關(guān)因素，如管道直徑、間距，對機械性能的影響，考慮這些

3、因素對構(gòu)建具有安全性與可靠性的功能性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有很大作用。另外，在微管道中通過填充自修復(fù)劑的自修復(fù)技術(shù)在當(dāng)前仍然具有新穎性。為了擴大它們在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用的可能性，需要關(guān)注不同載荷條件下的不同損傷類型的自修復(fù)的更多研究。本博士論文的主旨是引入新型、高性價比的加工方法來制備微管道嵌入并對不同損傷的機械性能自修復(fù)影響最小的CFRP復(fù)合材料。具體的研究內(nèi)容和主要的研究貢獻如下：
　?。?）采用空心玻璃管（HGTs）、選擇性聚合物降解（

4、SPD）和步驟成型（SM）在CFRP復(fù)合材料中制備了清晰的、復(fù)雜的微管道。其中，HGTs制備出了直管道，簡單易行；SPD制備出了垂直的微管道，機械強度損失更低；SM制備出了復(fù)雜形狀微管道，有更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。在 SPD中，固相聚合物預(yù)制件被放在纖維布中，澆注聚合物樹脂后形成整體，再通過固相聚合物預(yù)制件熔化流出，形成原位微管道。SM方法本質(zhì)上由復(fù)合材料的兩個步驟組成，先在復(fù)合材料成型過程中在其表面嵌入微管道，然后把具有表面微管道的兩塊復(fù)合材

5、料疊加獲得。具有不同形狀、直徑、路徑管道的復(fù)合材料可被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、自愈合、輕質(zhì)熱交換器、生物和化學(xué)微反應(yīng)器中。
　?。?）采用HGTs方法制備了管道直徑分別為300μm、500μm和900μm，管道間距分別為為5 mm、10 mm和15 mm復(fù)合材料，采用 SPD方法制備了管道直徑為700μm，1100μm和1600μm復(fù)合材料，對比測試了沒有微管道和含有微管道復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)層間剪切力（ILSS）和三點彎曲強度。結(jié)果表明，

6、在 CFRP復(fù)合材料中引入微管道會降低復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)強度，復(fù)合材料ILSS和彎曲強度隨著管道直徑的增加和管道間距的縮短而逐漸降低，原因在于制備孔道后孔道處樹脂含量增加纖維含量減少。因而，要獲得最大的結(jié)構(gòu)強度，必須合理選擇微管道的直徑和位置。通過兩種方法比較，SPD比HGTs更有效，能較少強度下降，并提供更大的孔道空間。
　　（3）對復(fù)合材料進行了低速沖擊（LVI）和 I模式的層間滑移（M1D）實驗，研究了LVI和 M1D對復(fù)合材料