功能型玻璃纤维用于预测复合材料结构缺陷的研究

Fiber-reinforced polymers(FRPs) have become one of the most important materials in modern engineering fields. However, their specific structures (laminate or sandwich) make damage analysis of these materials a challenging task. The use of carbon nanotubes/polymer nanocomposites has emerged as a promising method to evaluate the damage process in FRPs. A major drawback based on this approach is that one can not predict the damage in the fibres, which actually sustain the majority of load applied to FRPs. In the proposed project, functional glass fibres will be developed by either coating CNTs on fibre surface or dispersing them in fibres, aiming at improving their mechanical and electrical properties. The introduction of CNTs on/in fibres makes fibres Raman sensative, offering a way to evaluate the distruibution of fibre strain in FRPs by using Raman spectroscopy, and to study the accumulation of damage in composites under mechanical load, thus offering a new route for the warning of structural defects in composites.

纤维增强复合材料(FRPs)已成为现代工程领域中最重要的材料之一。但是此类材料的结构特点(层压或夹芯结构) 使得其在服役期的缺陷预测成为一个挑战性课题。碳纳米管（CNT）/高分子复合材料提供了一个可以用来评价FRP缺陷的途径。但该类方法仅能预测FRP中基体的受损情况，而不能预测FRP中主要增强项- - 纤维的受损状况。通过将CNT涂覆/分散在纤维表面/内部，不仅有望改善纤维的力学、电学等性能，同时赋予其拉曼活性，通过拉曼光谱法检测功能型纤维在FRP中的形变，揭示应力在纤维上的分布状况以及复合材料累计破坏过程，从而提供了一种用于预测FRP结构缺陷的新方法。

纤维增强复合材料(FRPs)已成为现代工程领域中最重要的材料之一。但是此类材料的结构特点(层压或夹芯结构) 使得其在服役期的缺陷预测成为一个挑战性课题。新型碳纳米材料（包括碳纳米管—CNTs、石墨烯）/高分子复合材料提供了一个可以用来评价FRP 缺陷的途径。前期及目前的研究主要集中于通过检测FRP基体材料(碳纳米材料/高分子复合材料)的力学、电学或光学性质来预测FRP结构的变化。此类方法的一个不足之处就是难以预测FRP中增强相—纤维的损伤过程，而纤维是复合材料内部应力传递/转移的最终承受相。基于上述考虑，本研究提出以商业化玻璃纤维为基体，通过电泳法在其表面涂覆含碳纳米材料（CNTs和石墨烯），实现了碳纳米材料在纤维表面的分散；研究了单根纤维的力学行为以及在不同应变条件下的电阻变化情况，建立了纤维应变和其电阻变化之间的关系；采用手糊法将单根纤维植入环氧树脂中制备含功能型玻璃纤维的FRP材料，研究了材料在负载条件下的电学性质。研究结果表明通过将碳纳米材料涂覆在纤维表面，可以大大改善纤维与高分子基体之间的相互作用，同时赋予纤维电学活性；通过检测纤维在FRP中的力学和电学性质可以揭示应力在纤维及缺陷结构中的分布状况，实现了预测FRP在应力条件下内部裂纹的产生、扩展等过程，从而提供了一种用于预测FRP 结构缺陷的新方法，该方法为评价材料的寿命提供了依据。.在本项目执行期间，负责人在中科院新疆理化所建立了一个以高分子复合材料研究为基础的科研平台，形成了一个以中青年学术人才为主的从事功能型纤维和纳米复合材料制备为主体的科研队伍，并获得了迅速成长，获得9项学术荣誉和奖励。项目在执行期内完成学术专著章节1篇，发表学术论文4篇（另有2篇正在投稿中），5次参加国际/国内学术会议并作会议发言（其中2次为邀请报告），依托本项目培养研究生3名。