微胶囊型自修复碳纤维增强复合材料性能研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:闫帅印()男硕士研究生:.通信作者:周昊()男博士副教授:.:./.微胶囊型自修复碳纤维增强复合材料性能研究闫帅印陈常发刑柏阳周连成郭 锐周 昊(.南京理工大学 机械工程学院 南京.四川航天系统工程研究所 成都 .南京长江电子信息产业集团 南京.南京理工大学 国家特种超细粉体工程技术研究中心 南京)摘要:为了分析内嵌环氧树脂基微胶囊的碳纤维增强复合材料()的力学性能开展了材料在准静态载荷条件下力学性能试验研究对比分析了有、无微胶囊时碳纤维增强复合材料的静态力学性能详细探究了微胶囊的质量分数对碳纤维增强复合材料的力学性能和自修复性能的影响分析了材料的拉伸强度弹性模量断裂伸长率以及自修复性能情况 在相同冲击能量下采用落锤法对不同微胶囊含量的层合板进行冲击试验研究其在冲击载荷作用下的动态力学响应 结果表明微胶囊具有增韧效果和自修复能力 随着微胶囊质量分数的增加自修复碳纤维增强复合材料的拉伸强度降低弹性模量先略微升高后降低断裂伸长率先降低后升高但总体变化不大修复效率随微胶囊含量的增加而升高 在相同冲击能量下微胶囊含量越大最大冲击力越小材料的冲击力 位移曲线斜率越小抗冲击性能越差 研究结果可以为推动自修复型 材料的实际工程应用和理论研究提供相关参考关键词:碳纤维复合材料微胶囊静态力学性能自修复性能抗冲击性能本文引用格式:闫帅印陈常发刑柏阳等.微胶囊型自修复碳纤维增强复合材料性能研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):().:引言碳纤维增强复合材料()复合材料具有轻质、高模量、高强度、耐腐蚀和电导性等特点在航空航天、船舶、汽车、体育器材等领域中得到广泛应用 由于 材料基体多为树脂等脆性材料在受冲击过程中易产生裂纹此外 材料受冲击后的损伤和失效将使其承载能力下降从而大大缩短其作为结构部件时的使用寿命阻碍了其在工程领域的深入应用 复合材料自修复技术为实现材料内部损伤修复提供了理想途径与传统修复技术相比自修复技术具有相对容易、成本低廉和不依靠外界操作等优势 目前常用于 材料的外援型自修复方法主要通过微胶囊、中空纤维或微管道等将树脂及固化剂预埋在材料中 树脂和固化剂在材料破坏处释放并混合从而使材料在不施加外部刺激的条件下实现原位修复 其中微胶囊法由于具有加工工艺成熟、成本低、适用范围广等优点在材料科学和工程应用领域引起了广泛关注虽然自修复 材料尚未大规模应用但其在工程材料领域展现出了良好的应用前景国内外学者开展了基于微胶囊方法的自修复 材料相关研究均在一定程度上实现了材料的自修复功能 等将 乙基 甲基咪唑()固化剂加入环氧树脂基体中发现加入 的甲基咪唑断裂性能可以恢复 等使用原位聚合法合成可控尺寸的脲醛()微胶囊通过控制搅拌速度来生产不同直径的微胶囊结果表明愈合效率与胶囊大小成正相关而较小的胶囊会造成试件性能降低 此外关于自修复 材料抗冲击性能及损伤修复的研究也有所开展 等研究了由空心玻璃纤维系统构建的自修复 材料的冲击后压缩()性能结果表明该方法极大提高了愈合效率同时最大限度减少了机械性能的降低 等通过落锤冲击和 试验分析在玻璃纤维增强复合材料()中加入一种新型修复体系的冲击损伤修复性能结果表明该修复体系对基体冲击产生的裂纹具有良好的修复作用 容敏智 进行以环氧树脂为核心修复剂的研究研制了用三聚氰胺 甲醛树脂包裹的环氧树脂微胶囊胶囊被复合到材料中后不仅囊芯活性不受影响而且与基体材料具有较好的黏结性受损后胶囊能够和基体同时开裂 另外 等 研究了原位聚合法制备微胶囊的合成过程并研究搅拌速度对微胶囊结构和储存稳定性的影响 刘淑强等用原位聚合法制备双层微胶囊将双层微胶囊 涂覆到玄武岩织物表面分析了微胶囊自修复玄武岩织物的自修复性能 童晓梅等 对碳纤维增强不饱和聚酯自修复复合材料进行研究详细探讨了 质量分数和 质量分数对碳纤维/不饱和聚酯复合材料和微胶囊/碳纤维/不饱和聚酯复合材料热稳定性、力学性能和自修复性能的影响综上所述目前关于自修复微胶囊在纤维增强复合材料中的应用研究主要集中于微胶囊的性能而在修复型碳纤维复合材料力学性能、修复效率等方面的研究开展较少 基于此本文中开展微胶囊型自修复碳纤维增强复合材料性能研究以内嵌微胶囊的碳纤维复合材料为研究对象分析弹性模量、拉伸性能、断裂伸长率阐明其力学性能和自修复性能为工程应用提供技术支撑和参考 实验.化学试剂/环氧树脂微胶囊粒径范围 囊芯质量比为 壁厚为 由杭州应星新材料有限公司生产 引发剂粒径范围 囊芯质量比为 壁厚 由杭州应星新材料有限公司生产脱模剂、透明 兵 器 装 备 工 程 学 报:/./低黏度环氧树脂 胶由易拓复合材料有限公司生产斜纹碳纤维布由中富碳纤维制品公司成产 图 是通过原位聚合法制得的由三聚氰胺 脲醛树脂()包覆环氧树脂 微胶囊的光学显微镜()照片 从图 中可以看出环氧树脂微胶囊呈球状形态规则、表面较光滑 图 是用密胺树脂包裹 引发剂微胶囊的电子显微镜()照片 由图 可以看出微胶囊呈规则球形蜜胺树脂微胶囊表面光洁分散均匀粘连现象较少而且密胺树脂的致密性较好可以在基体材料中长期保存图 环氧树脂微胶囊 照片.图 引发剂微胶囊 照片.试件样品的制备使用树脂传递模塑成型方法()制备碳纤维层合板首先使用无水乙醇将模具工作表面清洁干净然后在工作表面均匀涂抹脱模剂 次按照顺序安装模具并组装制备系统安装完成的模具如图 所示然后检查模具的气密性保证密封良好 将环氧树脂 胶与 胶以质量比 混合搅拌均匀后脱泡备用 使用真空泵和 管进行真空导流合理控制导流压力和时间保证树脂充分浸润纤维布树脂和碳纤维布的体积比为 树脂均匀分布后在常温下固化铸模固化完成后脱模备用样品尺寸为 .图 成型模具及 制备系统.自修复 复合材料样品的制备使用相同的操作流程制备修复型 层合板先使用无水乙醇将模具工作表面清洁干净然后在工作表面均匀涂抹脱模剂 次按照顺序安装模具并组装制备系统然后检查模具的气密性保证密封良好 将环氧树脂 胶与 胶以质量比 混合加入微胶囊使微胶囊的质量分数为将树脂充分搅拌不要让微胶囊出面团聚现象然后脱泡备用 使用真空泵和 管进行真空导流合理控制导流压力和时间保证树脂充分浸润纤维布树脂和碳纤维布的体积比为 树脂均匀分布后在常温下固化铸模固化完成后脱模备用样品尺寸为 .和 种 同理制作微胶囊质量分数为、的层合板试件如图 所示图 层合板试件.按照/中的相关要求将不同微胶囊含量的大块层合板分别制成矩形长条形试件尺寸 .矩形试件如图 所示图 为局部放大图 代表微胶囊的质量分数 图 为落锤冲击试验的试件图试件尺寸为 由图 可知随着微胶囊含量增加树脂中更多位置被微胶囊占据试件表面白色部分变多另外微胶囊的增多会使树脂的粘度增大当树脂固化时由于表面张力的作用树脂中的微胶囊会使液体收缩导致形成小孔或凹陷闫帅印等:微胶囊型自修复碳纤维增强复合材料性能研究图 拉伸试验试件.图 拉伸试件局部放大图.图 冲击试验试件.拉伸性能碳纤维增强复合材料拉伸试验按照/及/等标准中的相关要求进行实验装置如图 所示采用 微机控制万能材料试验机对编织布制成的纤维板进行/拉伸实验将标距设定为 并以./的速率进行拉伸 通过对实验数据进行处理可以获得相应的力 位移曲线 计算得到各种试件的拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率等性能参数每组实验有 个相同样品有效数据取于该点平均值 图 微机试验机及拉试件安装场景图.冲击性能 低速落锤冲击试验参考 标准在 落锤式冲击试验机上进行如图 所示 层合板试件通过 个橡胶夹头固定在刚性支座上支座中间有个 的矩形开孔 冲头直径为.质量为.试验机通过 软件进行试验操作和数据采集分析并输出冲击力 时间曲线、位移 时间曲线等试验结果对层合板试件进行相同能量的冲击试验试验方案设置见表为了研究自修复体系对材料冲击特性的影响特性同时保证试验的科学性和准确性对不同微胶囊含量的试件冲击能量都设置为 图 落锤冲击装置.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./表 不同微胶囊含量试样的试验情况 试样编号微胶囊含量/冲击能量/.自修复性能测试为了表征修复型材料的自修复效率取 组相同材料试样第 组进行拉伸测试得到拉伸强度 第 组试样以第 组试样拉伸强度的 和 作为载荷产生损伤后测定得到拉伸强度 第 组经与第 组相似的预损伤后常温下修复 测试拉伸强度 采用修复效率 表征材料的修复效率为 ()结果与讨论.拉伸过程及破坏模式将试件固定夹紧在拉伸试验机上以./的拉伸速率匀速拉伸拉伸过程中树脂先出现裂纹然后纤维发生断裂一旦纤维断裂发生拉伸过程将立即停止 试件的拉伸失效如图 所示本次实验采用的材料是由 根 碳纤维丝组成的碳纤维束经斜纹编织后固化成型得到 经环氧树脂固化后的碳纤维是一种脆性材料沿纤维方向加载将造成纤维的拉断沿纤维横向加载将造成纤维束的撕裂图 试件拉伸失效示意图.不同微胶囊含量试件在准静态拉伸条件下的应力 应变曲线如图 所示表 为各种试件的力学性能测试结果由图、表 中可知不同微胶囊含量的试件力学性能有所差异图 碳纤维材料试件应力 应变曲线.表 不同微胶囊含量试件的力学性能 微胶囊含量/拉伸强度/弹性模量/断裂伸长率/.微胶囊对复合材料力学性能的影响微胶囊的加入对 材料的力学性能有较大影响斜纹编制的 层合板拉伸强度为 随着微胶囊含量的不断增大纤维板的拉伸强度逐渐下降 其主要原因是当添加一定的微胶囊微胶囊在复合材料中的分散性变差微胶囊的存在占据了基体位置 在受力情况下由于微胶囊的强度远不及基体材料材料在埋植有微胶囊的位置易出现应力集中 这种应力集中导致了复合材料承受的拉力降低 因此填充微胶囊会降低基体材料的拉伸性能如图 所示图 微胶囊含量对 拉伸强度的影响.闫帅印等:微胶囊型自修复碳纤维增强复合材料性能研究 图 是微胶囊含量对弹性模量的影响 由图 可知在微胶囊含量增加时微胶囊复合材料的弹性模量呈现特定的变化趋势 微胶囊含量为 时弹性模量最大随着微胶囊用量继续增加弹性模量会随着胶囊含量的增加而下降这种现象的主要原因是在微胶囊用量较低时可能会形成微裂纹钝化的空洞并成为应力集中点从而导致树脂基体剪切屈服 随着微胶囊含量的增加微胶囊占据基体的比例增大当材料受到外力时微胶囊可以吸收部分应力并将其分散到周围的树脂基体中增加材料的韧性 然而在微胶囊用量较高时微胶囊有可能出现团聚现象导致分散性变差这些团聚的微胶囊会影响复合材料的力学性能从而导致弹性模量的降低图 微胶囊含量对弹性模量的影响.断裂伸长率是材料在拉伸过程中发生断裂前的最大延展性能指标之一能够反映材料在受拉应力下的延展性和韧性 在树脂材料中添加微胶囊当材料受到外力作用时随着微胶囊含量的增加微胶囊内的核心物质可以释放出能量来缓冲应力减轻了材料的应力集中程度 这种能量分散机制可以有效地吸收和分散应力提高了材料的韧性和断裂韧度微胶囊对基体的增韧作用增大断裂伸长率逐渐增大提高了复合材料的断裂韧性 但由于 材料中碳纤维作为增强体起主导作用所以增韧效果不明显断裂伸长率增加缓慢如图 所示图 微胶囊含量对断裂伸长率的影响.低速落锤冲击试验结果与分析对不同微胶囊含量进行相同能量的冲击试验层合板试件的冲击力 位移曲线和冲击力 时间曲线如图 和图 所示 由图、图 可知在相同冲击能量下在最大冲击力方面微胶囊含量越大最大冲击力越小受到冲击时的位移即变形越大接触时间越长 图 中冲击力 位移曲线的斜率也不同即材料的抗冲击性能不同微胶囊含量越大材料的刚度越小抗冲击性能越差 另外冲击力 时间曲线在上升过程中表现出不同程度的波动微胶囊含量越大载荷波动的频率越大 这是因为微胶囊的强度不及基体的强度在外部冲击载荷作用下微胶囊会先发生破损因此当微胶囊含量较高时曲线波动会更加剧烈图 不同微胶囊含量低速冲击过程冲击力位移曲线.图 不同微胶囊含量低速冲击过程冲击力时间曲线.微胶囊对复合材料的自修复作用为研究微胶囊型自修复 材料的自修复性能进行材料预损伤和修复性能测试试验微胶囊含量为、和 的试件在不同拉伸工况下的测试结果如表 表 所示兵 器 装 备 工 程 学 报:/./表 不含微胶囊试件在不同工况下材料力学参数 工况拉伸强度/弹性模量/直接拉断.最大拉伸强度预拉 .最大拉伸强度预拉 后常温下放置 .最大拉伸强度预拉 .最大拉伸强度预拉 后常温下放置 .表 微胶囊含量 的试件在不同工况下材料力学参数 工况拉伸强度/弹性模量/直接拉断.最大拉伸强度预拉 .最大拉伸强度预拉 后常温下修复 .最大拉伸强度预拉 .最大拉伸强度预拉 后常温下修复 .表 微胶囊含量 的试件在不同工况下材料力学参数 工况拉伸强度/弹性模量/直接拉断.最大拉伸强度预拉 .最大拉伸强度预拉 后常温下修复 .最大拉伸强度预拉 .最大拉伸强度预拉 后常温下修复 .表 微胶囊含量 的试件在不同工况下材料力学参数 工况拉伸强度/弹性模量/直接拉断.最大拉伸强度预拉 .最大拉伸强度预拉 后常温下修复 .最大拉伸强度预拉 .最大拉伸强度预拉 后常温下修复 .根据式()计算不同工况下材料的修复效率不含微胶囊的试件修复效率为 当微胶囊含量为 以 最大载荷预拉 的修复效率为()/().同理根据表 中的数据在 最大载荷预拉下的修复效率为.根据表 中的数据微胶囊含量的试件在 最大载荷预拉工况和 最大载荷预拉工况下的修复效率分别为和 根据表 中的数据微胶囊含量的试件在 最大载荷预拉工况和 最大载荷预拉工况下的修复效率分别为.和 不同条件下的修复性能如图 所示为不同微胶囊含量直接拉断的拉伸强度图 微胶囊/碳纤维增强复合材料的修复性能./从图 和表 表 可知无论材料中是否添加微胶囊预拉力会导致其拉伸强度降低且预拉力越大对拉伸强闫帅印等:微胶囊型自修复碳纤维增强复合材料性能研究度下降的越多 这是因为预拉使得材料内部生成裂纹基体遭受预损伤裂纹数量与拉力大小成正相关 在没有微胶囊的材料中由于无法进行修复当再次拉伸时材料的拉伸强度会下降 含微胶囊的材料虽有自我修复能力但由于修复剂尚未固化所以裂纹缺陷也不能立即被修补拉伸强度同样会减少 实验数据进一步指出在微胶囊含量相同时预载荷越大修复效率越高 这是因为预载荷增加会导致材料内部受到更多破坏、内部微胶囊破裂更多修复剂流出更多因此材料经过损伤修复后的修复效率更高 在相同预损伤条件下微胶囊含量越大修复效率越高 因为更多的微胶囊在预拉伸过程中破裂修复剂流出更多因此修复效率也会显著提高 综合表、表、表 中的数据可知经过修复的 材料其拉伸强度大于直接拉断和预损伤后直接拉断的材料拉伸强度表明微胶囊对 材料具有修复效果且能提高其拉伸强度 结论本文中以内嵌微胶囊的碳纤维增强复合材料层合板为研究对象开展了层合板的制作、伸试性能试验、落锤冲击试验以及层合板破坏后的修复效率测试试验对比分析了材料的变形以及破坏模式、应力 应变曲线、材料被修复前后的拉伸强度等得到的主要结论如下:)微胶囊的加入对碳纤维增强复合材料力学性能有显著影响随着微胶囊含量增大 复合材料的拉伸强度降低弹性模量先略微升高后降低断裂伸长率缓慢增大)低速冲击过程中材料的冲击力 位移曲线斜率不同微胶囊含量越大曲线斜率越小材料的刚度越小抗冲击性能越差)微胶囊对碳纤维复合材料有修复效果微胶囊含量相同时预损伤应力越大材料的修复效率越高微胶囊含量不同时树脂在同等损伤程度下微胶囊含量越高修复效率越高参考文献:倪卓张萍林燕玲等.不饱和聚酯/微胶囊复合材料自修复性能.深圳大学学报(理工版)():./.()():.郭亚昆邹东利赵鹏翔等.外援型自修复体系及其在环氧基复合材料中的应用.材料导报():.():.()():.:.:.:.():.:():.:():.童晓梅张敏张婷等.微胶囊自修复技术及其在聚合物基复合材料中的应用.塑料():.():.袁彦超容敏智章明秋.三聚氰胺甲醛树脂包裹环氧树脂微胶囊的制备及表征.高分子学报():.():.王志伟.微胶囊型环氧自修复材料制备及性能研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学:.:.()兵 器 装 备 工 程 学 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