热固性树脂基复合材料的自然连接机理及力学建模

Thermosetting resin composites play an important role in modern industrial system, however, its joining performance has been a global tickler that badgers the industrial development. Some inherent defects exist on the traditional types of joints, including mechanically fastened joints, adhesively bonded joints and hybrid mechanically fastened/adhesively bonded joints, while new joints of the heat-pressure assisted- and the small molecules assisted-method are solely amenable to special thermoset polymers. This project proposes an intrinsic joinning method for the industrially thermosetting resin composites, into which small molecules participate without the need of external pressure. By theoretical analyses, numerical simulation and experiment, the solvent penetration on interfaces causing swell deformation of resin matrix and fibers of composites are investigated; the complexly physical penetration-chemical crosslinking interaction and the related phase transformation are studied; the quantitative relationships between the macroscopicly mechanical properties and the microscopicly molecular chain network structure of the interface that combines mechano-chemico effects are studied. On the base of above, the model of the interface mechanics is established as well as numerical analysis methods to uncover the intrinsic joining mechanism of thermosetting composites, which provides novel analysis methods and theoretical basis for the joining of industrially thermosetting composites.

高强热固性树脂基复合材料在现代工业体系中占有重要地位，其连接一直是学术界和工业界的难题。传统连接方式（机械、胶接和混接等）存在固有缺陷，热压辅助和小分子溶剂辅助等新型连接方式只适用于特定热固性聚合物体系。本项目拟提出一种无压力辅助、小分子溶剂参与的工业热固性树脂基复合材料自然连接方法，从理论、实验和数值分析诸方面，研究溶剂渗透引起的热固性树脂和纤维的溶胀变形行为、复杂物理渗透-化学交联相互作用下的材料相转变机理、力学-化学作用下热固性复合材料连接的宏观力学性能与界面分子链网络结构之间的关系，在此基础上，建立热固性树脂基复合材料自然连接的界面力学模型，发展相应的数值分析方法，揭示自然连接机理，为工业热固性复合材料的连接提供新方法和理论基础。

热固性树脂基复合材料是飞机、火箭、卫星、风电等国家重大战略工业的基础性轻质高性能材料。然而，其连接和回收再利用依然是未能解决的世界难题，对学术界和工业界提出了重大挑战。本项目重点研究了热固性树脂及其复合材料的连接难题，拓展研究了其回收再利用难题，延伸研究了含动态键水凝胶的疲劳断裂等前沿问题，为解决热固性复合材料连接和回收难题提供了理论和方法，对推动热固性复合材料的绿色发展具有实际应用价值。主要研究进展和成果如下：（1）开发了热固性树脂及其复合材料的小分子辅助自然连接方法，包括自适应胶接法、热压辅助焊接法和溶剂辅助焊接法，其核心是通过小分子辅助在材料连接界面处构筑共价键桥联，实现热固性树脂及其复合材料的高强连接。相较于传统连接方法，新方法在连接效率、强度等方面具有优势；（2）实验研究了自然连接界面及其力学性能，包括树脂-树脂、复合材料-复合材料和树脂-异质材料三类界面连接问题，结合连接强度和破坏模式分析，阐明了温度、压力和时间等连接条件对材料连接性能的影响规律；（3）研究了连接表面的润湿行为和化学官能团演化规律，通过应力松弛实验测定了键交换反应速率。从表面接触、键合潜力和键合速率等三方面，揭示了热固性树脂及其复合材料的小分子辅助自然连接机理；（4）构建了自适应树脂连接力学理论，建立了连接工艺参数和连接强度的关系，规划了连接工艺路径，为自然连接提供了理论和分析手段；（5）合成了新型可回收自适应热固性树脂，发展了热固性树脂及其复合材料的小分子辅助回收方法，实现了热固性树脂及其复合材料的回收与再利用；提出了能同时提高水凝胶断裂韧性和疲劳门槛值的新策略、3D打印新方法等。