热塑性聚合物在耐磨、耐辐射和抗冲击等方面表现出优异的性质,被广泛应用于国防、航空航天、土木等领域。但由于聚合物强度普遍不高,且在外力作用下极易损伤进而导致材料失效,严重危害结构的安全性,也因此阻碍了热塑性聚合物在一些重要工程和尖端领域的应用。为拓宽热塑性聚合物的应用领域,探索出兼具优良的力学性能和自修复特性的聚合物是促进热塑性聚合物材料进一步发展和应用的重要任务。本文以热塑性聚氨酯(TPU)为研究对象,采用溶液共混法制备出在微波诱导下能实现自修复且兼具力学增强的石墨烯(G)和碳纳米管(CNT)协同增强的聚氨酯(TPU)复合材料。通过力学实验及材料微观表征(SEM)对复合材料性能进行测试,并从细观力学、电磁学、热学等角度对TPU复合材料力学性能和微波诱导下的自修复性能进行研究,主要研究内容如下:(1)在力学性能研究方面,对制备的不同石墨烯含量G/TPU材料的力学性能的研究发现:随着石墨烯含量增加,复合材料抗拉强度先增后减(含量为1.5%时抗拉强度达到最佳),其最佳值较纯TPU抗拉强度提高了35%。为进一步提高聚氨酯的拉伸强度,本文采用G-CNT填料来替换石墨烯增强相,制备出G-CNT不同质量比的G-CNT/TPU复合材料,通过力学性能研究发现:随着石墨烯和碳纳米管质量比的减小,G-CNT/TPU复合材料抗拉强度先增后减,当G-CNT比例为3:1时,其抗拉强度达到最佳,其较纯TPU、G/TPU、CNT/TPU抗拉强度分别提高了67%、18%和25%。在此,通过基于剪滞理论的复合材料细观力学模型,并结合材料微观形貌表征,综合分析了碳纳米管和石墨烯增强TPU复合材料的力学增强机制,结果表明:石墨烯与碳纳米管形成的三维复合结构将改善增强相在基体中的分散性,并在提高其与基体之间的应力传递效率和材料抗拉强度中具有积极的促进作用。(2)在复合材料损伤裂纹修复机理研究方面,本文首先对G/TPU、G-CNT/TPU、CNT/TPU三种复合材料的自修复性能进行实验,结果表明:三种复合材料在微波诱导下均可实现完全修复,当G-CNT比例为3:1时,复合材料力学强度恢复率高达117%。此外,由于在微波处理过程中,材料内部的热传导过程及电磁场分布将直接影响其裂纹修复及力学性能。为此,采用有限元软件ANSYS模拟材料内部热传导过程,结果表明:复合材料在微波处理过程中能实现宏观裂纹各部位均匀、快速加热,短时间内即可修复好损伤材料。同时,还利用Ansoft HFSS软件模拟裂纹处微波场分布,结果表明:微波在材料裂纹处发生聚焦,有效保证了裂纹处的能量供给,进而实现裂纹自愈合。热传导和电磁场模拟结果为复合材料在微波调控下实现高效快速自修复及材料整体力学性能的进一步提高提供了理论支持。本文研究结果将为热塑性自修复材料制备工艺改善和力学性能提高,以及将来在汽车、航空航天、土木等领域的应用提供有益的探索。