【摘 要】
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在纤维增强复合材料中,界面即纤维和树脂基体间的界面区域,被认为是决定复合材料整体性能的关键因素。然而在复合材料的长期使用过程中,界面容易受到机械力、化学、热、紫外线辐射等刺激的影响,在结构内部形成裂纹或微裂纹,这些裂纹或微裂纹很难检测和修复,随着裂纹的不断扩展最终导致复合材料整体性能失效。赋予复合材料界面损伤修复性能作为一种延长复合材料使用寿命的新兴方法一直是各国科研工作者研究的热点。本论文针对热
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在纤维增强复合材料中,界面即纤维和树脂基体间的界面区域,被认为是决定复合材料整体性能的关键因素。然而在复合材料的长期使用过程中,界面容易受到机械力、化学、热、紫外线辐射等刺激的影响,在结构内部形成裂纹或微裂纹,这些裂纹或微裂纹很难检测和修复,随着裂纹的不断扩展最终导致复合材料整体性能失效。赋予复合材料界面损伤修复性能作为一种延长复合材料使用寿命的新兴方法一直是各国科研工作者研究的热点。本论文针对热塑性树脂基复合材料界面损伤难以检测及精准修复的问题,以PBO纤维为研究对象,开展基于光热效应的PBO纤维复合材料界面损伤修复的构建及其机制的研究。采用表面涂覆方法,通过调控PBO纤维在氮化硼-聚多巴胺（BN-PDA）纳米片溶液中的浸渍时间和质量浓度,将光热转换剂BN-PDA纳米片均匀致密地负载在PBO纤维表面,得到表面具有光热转换性能的BN-PDA-PBO纤维。以热塑性聚氨酯（TPU）为树脂基体、BN-PDA-PBO纤维为增强体制备了TPU-BN-PDA-PBO单丝复合材料。采用单丝拔出测试评估PBO单丝复合材料的界面损伤光热修复性能。结果表明,在氙灯辐照下,TPU-BN-PDA-PBO单丝复合材料界面剪切强度光热修复效率为72.73%,而且在循环5个修复周期后界面光热修复效率仍然可以保持在70%。相比之下,没有负载BN-PDA纳米片的PBO单丝复合材料没有发生界面损伤修复。这是由于在光辐照下界面层的BN-PDA纳米片可以吸收光能并转换为热能,触使TPU-BN-PDA-PBO单丝复合材料界面损伤处的温度升高,当界面温度达到树脂基体Tg以上时,界面处树脂基体的分子链发生运动而实现界面损伤修复。由于Cu2S和Ag纳米粒子的耦合使纳米粒子在光辐照下局部表面等离子共振效应增强,所以Cu2S-Ag纳米粒子具有很强的协同光热转换能力。通过优化硝酸银的浓度、硫化亚铜种子溶液浓度、PBO纤维的质量浓度及反应时间等将Cu2S-Ag-PDA纳米粒子致密均匀地负载于PBO纤维的表面,得到表面具有光热转换性能的Cu2S-Ag-PDA-PBO纤维。同时,以聚氨酯为树脂基体、Cu2S-Ag-PDA-PBO纤维为增强体制备了TPU-Cu2S-Ag-PDA-PBO单丝复合材料。结果表明,在氙灯辐照下界面层的Cu2S-Ag-PDA纳米粒子可以高效率地吸收光能并将光能转换为热能,触使TPU-Cu2S-Ag-PDA-PBO单丝复合材料界面损伤处的树脂基体发生原位加热进而实现界面损伤修复。计算结果表明TPU-Cu2S-Ag-PDA-PBO单丝复合材料界面剪切强度光热修复效率可以达到80.97%,高于TPU-BN-PDA-PBO单丝复合材料。同时,在5个循环修复周期内,TPU-Cu2S-Ag-PDA-PBO单丝复合材料的修复效率可以维持在75%-81%。以BN-PDA-PBO、Cu2S-Ag-PDA-PBO、PBO@NH2-MIL-88B-Fe-GO纤维织物为增强体、聚氨酯为树脂基体,采用模压成型工艺制备了PBO纤维复合材料。通过优化反应时间、光热转换试剂与PBO纤维的质量浓度等调控光热转换剂Cu2S-Ag-PDA、BN-PDA、NH2-MIL-88B-Fe-GO在PBO纤维织物表面的负载效果。利用三点弯曲试验评估PBO模压纤维复合材料的界面损伤光热修复性能。结果表明,TPU-BN-PDA-PBO、TPU-Cu2S-Ag-PDA-PBO、TPU-PBO@NH2-MIL-88B-Fe-GO模压纤维复合材料的弯曲强度光热修复效率分别为55.2%、64.9%和67.1%,远高于TPU-PBO纤维复合材料。本论文所提出的基于光热效应实现PBO纤维复合材料界面损伤修复策略不仅仅局限于PBO纤维复合材料,在其他材料修复领域也具有广泛的应用前景。
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