微管道CFRP复合材料的制备、表征与自修复研究

摘要

轻质、高强、高韧碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料可取代传统的金属材料用作航空结构件，性能优良、效果显著。多功能性的复合材料结构兼具机械、化学与热性能，可满足下一代特定的、苛刻的机身要求。具有微管道网的复合材料是当前最具潜力的技术，可在复合材料结构中有效地赋予自感应、自修复或主动冷却等额外功能。其中，自修复尤为重要，它可以有效地降低复合材料中微小的损伤带来的风险，降低大部分潜在的危险。复合材料新增加的性能取决于管道的直径、间距、密度、方向、类型以及管道的制备方法，这些通常会降低复合材料的机械强度。另外，只有少数可用的技术能在复合材料中制备微管道，其中大部分的技术只能制备基本的、垂直的管道且会造成机械强度的大幅度降低，在自修复领域中要尽量避免。为了促进更广泛的应用，有必要开发新的，具有优势性的制备方法或工艺来制备简单或复杂的微管道网络，随着微管道网络的加入不会造成结构强度的大幅度降低。也有必要仔细地分析微管道的引入和相关因素，如管道直径、间距，对机械性能的影响，考虑这些因素对构建具有安全性与可靠性的功能性复合材料结构有很大作用。另外，在微管道中通过填充自修复剂的自修复技术在当前仍然具有新颖性。为了扩大它们在不同领域中的应用的可能性，需要关注不同载荷条件下的不同损伤类型的自修复的更多研究。本博士论文的主旨是引入新型、高性价比的加工方法来制备微管道嵌入并对不同损伤的机械性能自修复影响最小的CFRP复合材料。具体的研究内容和主要的研究贡献如下：
　　（1）采用空心玻璃管（HGTs）、选择性聚合物降解（SPD）和步骤成型（SM）在CFRP复合材料中制备了清晰的、复杂的微管道。其中，HGTs制备出了直管道，简单易行；SPD制备出了垂直的微管道，机械强度损失更低；SM制备出了复杂形状微管道，有更广的应用领域。在 SPD中，固相聚合物预制件被放在纤维布中，浇注聚合物树脂后形成整体，再通过固相聚合物预制件熔化流出，形成原位微管道。SM方法本质上由复合材料的两个步骤组成，先在复合材料成型过程中在其表面嵌入微管道，然后把具有表面微管道的两块复合材料叠加获得。具有不同形状、直径、路径管道的复合材料可被应用于结构健康监测、自愈合、轻质热交换器、生物和化学微反应器中。
　　（2）采用HGTs方法制备了管道直径分别为300μm、500μm和900μm，管道间距分别为为5 mm、10 mm和15 mm复合材料，采用 SPD方法制备了管道直径为700μm，1100μm和1600μm复合材料，对比测试了没有微管道和含有微管道复合材料的标准层间剪切力（ILSS）和三点弯曲强度。结果表明，在 CFRP复合材料中引入微管道会降低复合材料的结构强度，复合材料ILSS和弯曲强度随着管道直径的增加和管道间距的缩短而逐渐降低，原因在于制备孔道后孔道处树脂含量增加纤维含量减少。因而，要获得最大的结构强度，必须合理选择微管道的直径和位置。通过两种方法比较，SPD比HGTs更有效，能较少强度下降，并提供更大的孔道空间。
　　（3）对复合材料进行了低速冲击（LVI）和 I模式的层间滑移（M1D）实验，研究了LVI和 M1D对复合材料弯曲强度的影响。同时，采用了一种自修复方法来恢复由于 LVI和M1D损伤造成的强度损失，并研究了微孔道复合材料弯曲失效行为的愈合过程。结果表明， LVI比M1D造成的强度损失更严重，冲击能越高、脱粘长度越长，强度损失越大，并呈线性影响关系。通过 SEM观察研究表明，存储在 HGTs管道中的自修复剂能有效修复 LVI和M1D造成的损伤，并有良好的愈合效果。

目录

声明

Symbols

Abbreviations

Chapter 1 Introduction

1.1 Necessity, importance and significance

1.2 Research questions

1.3 Research objectives

1.4 Thesis layout

C hapter 2 Literatur e review

2.1 I ntroducti on to mic rochanne l network

2.2 Design considerations for microchannel networks

2.3 Manufacturing strategies for microchannel network

2.4 Mechanical effects of microchannel networks

2.5 Microchannel-based self-healing

2.6 Chapter summary

Chapter 3 Materials and methods

3.1 Materials

3.2 Methods

Chapter 4 Manufa cturing of microcha nneled C FRP com posites

4.1 I ntroductio n to manu facturing of microch annels

4.2 Manufacturing of microchanneled CFRP composites

4.3 Chapter summary

Chapter 5 Mechanical testing and characterization of microchanneled CFRP composites

5.1 Introduction

5.2 M anufactu ring of pla in and mi crochanne led CFRP composite s

5.3 M echanica l testing an d charact erization

5.4 Results and Discussions

5.5 Chapter su mmary

Chapter 6 Self-healing via microchannel

6.1 Introduction

6.2 Experimental procedures

6.3 R esults an d discussio n

Chapter 7 Thesis summary and future work

7.1 Summary of the main work

7.2 Summary of the innovations

7.3 Recommendations for future work

参考文献

致谢

Author’s publications

详细摘要