掺杂微胶囊的自修复复合材料在可变温度场下修复性能研究

摘要

低温推进系统能够很好的满足航天任务中需要具有高比冲、低重复启动次数、便于空间环境长期贮运等性能要求，因此低温推进系统成为未来航天飞行器动力系统的研究重点。然而，低温推进系统所使用的复合材料压力容器(COPVS)的可靠性和可重复使用性的问题值得关注，尤其是在低温使用过程中。微裂纹作为材料性能损伤的导火索，微裂纹的产生会影响材料的力学性能，使得包括强度、硬度等性能大幅度降低。此外，微裂纹的存在会导致气体渗透和泄露，这限制了COPVS在未来可重复使用的运输工具上的应用。本论文通过设计一种掺杂微胶囊的自修复材料，实现材料在交变温度场下的自修复，这种自修复材料在未来的航空航天领域具有广阔的应用前景。
　　本论文的工作建立在微胶囊的合成及表面改性的基础之上。采用原位聚合法制备出以脲醛树脂为壁材、环氧树脂E-51为芯材的自修复用微胶囊。在此基础之上对微胶囊表面进行改性，分析了KH550处理微胶囊表面的的原理和具体实验方法，并对KH550处理后的微胶囊进行红外光谱(IR)分析、X射线光电子能谱分析(XPS)等，证明 KH550成功包覆在微胶囊表面。将碳纳米管进行酸化，通过XPS等表征方法证明在碳纳米管表面引入-COOH。利用碳纳米管表面的-COOH和KH550处理后微胶囊表面带有的-NH2进行反应，将碳纳米管接枝在微胶囊表面，通过XPS和SEM等对表面接枝碳纳米管的微胶囊进行分析和表征，证明酸化后的碳纳米管通过化学反应接枝在微胶囊表面。
　　为了使材料能够在交变温度场下实现自修复功能，材料体系选择为二元自修复体系。首先需要选择一种合适的潜伏性固化剂，确保材料在低温状态下具有较长的保质期限，通过对潜伏性固化剂的固化机理分析，最终确定采用2MZ-Azine作为潜伏性固化剂，修复体系由修复剂环氧树脂微胶囊和潜伏性固化剂2MZ-Azine作组成。对掺杂微胶囊的自修复复合材料进行低温下静态力学性能测试，结果表明，表面接枝碳纳米管的微胶囊对基体力学性能影响较小，使用KH550处理的微胶囊次之，未处理的微胶囊对基体材料力学性能影响最大。对三种不同微胶囊制备的试样进行自修复效率测试，结果表面，表面接枝碳纳米管的微胶囊和使用KH550处理的微胶囊所制备的试样在交变温度场下的修复效率相差不大，在微胶囊含量为15％、2MZ-Azine含量为2%时，能够实现-80%的自修复效率，而表面未经过处理的微胶囊所能提供的自修复效率较差，在最佳含量下，自修复效率约为65%。通过在微胶囊表面接枝碳纳米管，有效提高了交变温度场下掺杂微胶囊自修复材料的修复效率。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 聚合物自修复复合材料研究进展

1.3 微胶囊化技术研究现状

1.4 本课题的研究目的及意义

1.5 本课题的主要研究内容

第2章 材料体系选择与设计

2.1 原料及仪器设备

2.2 微胶囊的合成

2.3 微胶囊表面改性

2.4 交变温度场下可自修复复合材料的设计及制备

2.5 本章小结

第3章 表面改性微胶囊的性能表征

3.1 脲醛树脂包裹环氧树脂微胶囊性能表征

3.2胺基化微胶囊性能表征

3.3 改性碳纳米管性能表征

3.4 接枝碳纳米管微胶囊性能表征

3.5 本章小结

第4章 交变温度场下环氧树脂体系的自修复性能

4.1 掺杂不同微胶囊自修复材料静态力学性能分析

4.2掺杂不同自修复材料的修复效率分析

4.3本章小结

结论

参考文献

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致谢

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