聚合物基复合材料疲劳损伤的自愈合

本项目针对聚合物基复合材料在制备、加工、使用过程中由疲劳所造成的动态微损伤、微裂纹破坏，开展基于环氧修复剂的快速损伤自愈合环氧树脂复合材料的制备与性能研究，以期获得一种能够快速、有效延迟或阻止疲劳裂纹发展、进而自行修复损伤的新型材料，突破以往自愈合材料因修复剂反应较慢、粘结强度较差而无法原位快速修复裂纹的难题。将深入研究自愈合体系的合成及相关复合材料的制备方法，揭示阻碍疲劳裂纹萌生和扩展的机理，阐明修复剂的分子结构与材料的物理性能和力学性能、抗疲劳性能之间的相关性，为提高聚合物基复合材料的使用稳定性和使用寿命提供一种新思路。本项目将在理论上为高性能复合材料的结构设计、耐疲劳性能的提高、动态微损伤的自修复等提供科学依据，而在实际中将有望发展一种智能型聚合物基复合材料，具有重要的理论和实际意义。

疲劳裂纹的产生和失稳是造成高分子复合材料破坏的主要原因之一，本项目针对复合材料在制备、加工、使用和维护过程中由疲劳所造成的动态微损伤、微裂纹破坏，开展了基于环氧修复剂的快速损伤自愈合环氧树脂复合材料的制备与性能研究，获得了一种能够快速、有效延迟或阻止疲劳裂纹发展、进而自行修复损伤的新型材料，突破了以往自愈合材料因修复剂反应较慢、粘结强度较差而无法原位快速修复裂纹的难题。深入地研究了自愈合体系的合成及相关复合材料的制备方法，揭示了阻碍疲劳裂纹萌生和扩展的机理，阐明了修复剂的分子结构与材料的物理性能和力学性能、抗疲劳性能之间的相关性，为提高聚合物基复合材料的使用稳定性和使用寿命提供了一种新思路。采用线弹性断裂力学研究疲劳裂纹萌生和扩展规律，考察在拉伸循环载荷作用下应力强度因子幅度、应力比、加载频率、裂纹尖端胶粘剂黏度变化和固化以及温度、起始预裂纹、材料结构、胶囊粒径、胶囊含量、胶囊配比对复合材料抗疲劳损伤性能的影响，对不同增长速率的裂纹延迟或阻止效果，评价愈合动力学与裂纹增长动力学之间的相关性。在疲劳裂纹扩展过程中，从胶囊内流出的愈合剂组份能够在室温下非常短的时间的快速固化，愈合剂的断裂韧性迅速增大。自愈合试样通过四种机理即微胶囊诱导增韧机理、液压裂纹尖端屏蔽机理、聚合物楔和胶黏剂粘接裂纹尖端屏蔽机理来有效延迟或捕获疲劳裂纹，延长材料寿命。四种屏蔽机理在不同的情况下发挥不同的作用。愈合效果强烈依赖应用应力强度因子幅度ΔKI，ΔKI越低，愈合效率越高。本项目在理论上为高性能复合材料的结构设计、耐疲劳性能的提高、动态微损伤的自修复等提供了科学依据，而在实际中将有望发展一种智能型聚合物基复合材料，具有重要的理论和实际意义。