聚合物基复合材料自修复体系中微胶囊破裂机理的实验研究

具有自诊断、自修复功能的智能复合材料已成为新材料领域研究的热点之一，由此引发的材料损伤、断裂、修复等问题乃是目前理论界和工程技术界普遍关注的前沿课题。本项目从分析聚合物基自修复材料的自愈合行为出发，研究材料损伤诱发的自修复微胶囊破裂的机理，建立胶囊璧材和基体材料力学性能的匹配关系，探索其对自修复材料修复效率的影响规律。①发挥纳米压入测试技术和有限元数值模拟与反演分析的综合优势，对微胶囊壁材的弹塑性特性、断裂强度和断裂韧性进行测试与表征，为建立微胶囊壁材与基体材料的力学性能匹配关系打下基础；②原位观察自修复材料的裂纹扩展过程及延伸路径，分析微胶囊破裂特征；③发展显微数字图像相关方法和显微光弹性方法，定量分析裂纹尖端附近区域（夹杂微胶囊）的力学行为，进而揭示裂纹与微胶囊相交时系统的断裂机理，为发展微胶囊聚合物自修复材料的损伤与修复机理奠定理论基础。

自修复复合材料是一种具有自我感知和自我修复功能的智能材料，为及时修复复合材料内部容易出现的微裂纹，预防潜在的结构破坏提供了一种新方法。随着微胶囊技术的日趋成熟，微胶囊自修复复合材料发展迅速，成为研发自修复聚合物材料的主要途径。目前，对该类材料的研究主要集中在修复机理和修复效率方面，而对与修复任务能否完成紧密相关的微胶囊破裂行为的研究相对较少。本项目以揭示微胶囊的破裂行为及其影响因素为目标，通过实验和有限元分析相结合的方法，对自修复复合材料中微胶囊囊壁材料的力学性能、微胶囊破裂的行为及其影响因素、裂纹位置对微胶囊破裂的影响进行了一系列研究。. 本研究项目的结果包括四方面内容：（1）对微胶囊囊壁试样进行了纳米压入测试，并运用量纲分析原理对P-h曲线进行分析，反求得到了微胶囊囊壁材料的弹性模量、屈服应力和应力-应变关系，为进一步分析求解囊壁材料的强度极限奠定了基础。（2）通过对微胶囊结构体试样进行纳米压痕实验，并运用有限元法模拟了压入过程，建立了微胶囊结构体刚度和囊壁材料的弹性模量之间的关系，最终得到了囊壁材料的弹性模量和强度极限。以上所得到的力学参数为建立胶囊璧材和基体材料力学性能的匹配关系，研究自修复材料中微胶囊的破裂行为和裂纹的扩展路径奠定了基础。（3）建立了微胶囊自修复复合材料的单胞有限元分析模型，研究了裂纹面与微胶囊水平中面共面情况下微胶囊的破裂行为，分析了微胶囊囊壁材料的弹性模量和强度极限变化对微胶囊破裂的影响。（4）结合对含偏置裂纹的环氧树脂基微胶囊自修复复合材料试样的显微光弹性拉伸实验，研究了裂纹位置对微胶囊破裂行为的影响，揭示了微胶囊破裂与裂纹偏置距离的关系。