中空纖維型自修復(fù)復(fù)合材料的修復(fù)效率及力學(xué)性能

顧海超 楊 濤 杜 宇

(1 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室, 天津 300387)(2 天津工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院, 天津 300387)

·測試分析·

中空纖維型自修復(fù)復(fù)合材料的修復(fù)效率及力學(xué)性能

顧海超1，2楊 濤1，2杜 宇1，2

(1 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室, 天津 300387)(2 天津工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院, 天津 300387)

文 摘 以5-亞乙基-2-降冰片烯(ENB)和Grubbs催化劑組成的修復(fù)系統(tǒng)為修復(fù)劑、以外徑為Ф0.9 mm的中空玻璃管為載體，通過壓力破壞實驗和三點彎曲實驗研究含有中空玻璃管復(fù)合材料的彎曲性能及自修復(fù)的效率。結(jié)果表明:壓力破壞實驗給試件帶來的損傷程度最大可達到14.67%；已受損的試件在修復(fù)系統(tǒng)的作用下，試件的強度能恢復(fù)到原強度的99.15%。

中空纖維型自修復(fù)，復(fù)合材料，ENB，Grubbs催化劑

0 引言

自修復(fù)復(fù)合材料是依據(jù)仿生學(xué)的原理研制出來的，針對材料出現(xiàn)的破損進行自修復(fù)，恢復(fù)材料本身的功能。按照自修復(fù)時是否需要從外界添加修復(fù)劑，自修復(fù)體系分為兩大類：本征型和外援型[1]。本征型修復(fù)方法包括可逆共價鍵自修復(fù)和可逆非共價鍵自修復(fù)[2]?？赡婀矁r鍵自修復(fù)是利用聚合物基復(fù)合材料本身的可逆化學(xué)反應(yīng)而進行的自修復(fù)[3-6]；可逆非共價鍵自修復(fù)則是利用體系中的氫鍵作用，疏水作用，大分子擴散作用等機理來實現(xiàn)的自修復(fù)[2]。外援型修復(fù)方法主要包括中空纖維型、微膠囊型、微脈管型和熱塑性修復(fù)型等修復(fù)方法。

中空纖維型自修復(fù)法首先是由DRY和SOTTOS基于修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)提出的修復(fù)方法?，F(xiàn)今，這種修復(fù)方法更多的被應(yīng)用到復(fù)合材料領(lǐng)域。DRY等[7]將裝有氰基丙烯酸酯修復(fù)劑或環(huán)氧樹脂修復(fù)劑的中空玻璃纖維預(yù)先埋置在預(yù)成型的復(fù)合材料內(nèi)部。試件成型之后，對試件進行破壞，使其產(chǎn)生裂紋，當(dāng)裂紋擴展到中空玻璃纖維處時中空玻璃纖維破裂，修復(fù)劑得到釋放，進而對裂紋進行粘合，恢復(fù)試件本身性能。

G. Williams等[8]將含有環(huán)氧樹脂修復(fù)劑的中空玻璃纖維預(yù)先埋置在碳纖維復(fù)合材料層合板中，對沒有破壞的，已經(jīng)破壞的和破壞修復(fù)之后的試件分別進行四點彎曲實驗，探究了不同分布間距的中空玻璃纖維在不同壓力下的修復(fù)效率。之后，G. Williams等[9]繼續(xù)對含有修復(fù)劑的碳纖維復(fù)合材料層合板進行沖擊后壓縮實驗。實驗表明，在沖擊損傷之后進行自修復(fù)，層合板的強度能恢復(fù)到原始強度的90%以上。中空纖維型自修復(fù)方法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料的自修復(fù)，但國內(nèi)外學(xué)者都采用中空纖維橫置的放置方式。中空纖維橫置會降低材料本身的力學(xué)性能以及材料的層間強度。本文采用中空纖維縱置的放置方式修復(fù)復(fù)合材料，并研究其修復(fù)效率和力學(xué)性能。

1 實驗

1.1 樣件的制備

樣件由SK化工有限公司的TR50碳纖維預(yù)浸料制備，碳纖維的密度為1.77 g/cm3。層合板的鋪層數(shù)為32層，每層厚度為0.125 mm。修復(fù)劑為5-亞乙基-2-降冰片烯(ENB)，催化劑為Grubbs催化劑。修復(fù)劑的載體選用外徑和內(nèi)徑分別為Ф0.9 mm和Ф0.63 mm的中空玻璃管。

碳纖維預(yù)浸料層合板鋪層順序為[0°/90°]7S，中空玻璃管垂直埋入碳纖維層合板，最后在層合板的上下面各鋪設(shè)[0°/90°]的預(yù)浸料。在層合板的鋪設(shè)過程中，將Grubbs催化劑均勻的分散在預(yù)浸料的基體上。通過毛細(xì)作用將ENB存貯在中空玻璃管中，用密封膠對中空玻璃管的兩端進行封口，防止ENB揮發(fā)。實驗共鋪設(shè)了三種鋪層方式相同的試件?，F(xiàn)將三種試件進行分組，分組結(jié)果詳見表1。

表1 試件分類表

鋪設(shè)好的層合板放入預(yù)先制備好的真空裝置中，真空裝置放入烘箱中加熱80℃保溫1 h，再加熱到100℃保溫3 h，冷卻至室溫固化。按照ASTM D790-03的實驗標(biāo)準(zhǔn)切割已固化的層合板，得到三點彎曲試件。其中，在層合板加熱固化的過程中要進行抽真空的操作，以保證成型所需的壓力。內(nèi)含中空玻璃管層合板的三點彎曲試件尺寸表征見圖1。試件尺寸為80 mm×13 mm×4 mm。

圖1 內(nèi)含中空玻璃管層合板的三點彎曲試件示意圖

1.2 實驗過程

為了研究壓力破壞實驗對試件的破壞程度以及修復(fù)劑的修復(fù)效果，分別對試件A、B的部分試件以及試件C的全部試件先進行壓力破壞實驗。壓力破壞實驗結(jié)束后，再對A、B、C的所有試件進行三點彎曲實驗。壓力破壞實驗與三點彎曲實驗都是在日本島津(SHIMADZU)的AGS-X-50KN型萬能試驗機上進行的。壓力破壞實驗以2 mm/min的速度進行加載，加載力為8 kN。

含中空玻璃管與不含中空玻璃管試件的加載過程的載荷-位移曲線如圖2所示。含中空玻璃管的試件在加載過程中，由于中空玻璃管的存在，在加載的過程中載荷值總是先降低再升高，導(dǎo)致曲線出現(xiàn)多次波動，但兩種曲線的總體趨勢一致。

圖2 壓力破壞實驗的載荷-位移曲線

壓力破壞實驗結(jié)束后，將含修復(fù)劑的試件放入烘箱中，在80℃的環(huán)境下加熱1 h，加熱結(jié)束后取出試件，在室溫下靜置24 h。在壓力破壞實驗過程中，由于試件受到外加載荷的破壞，含有修復(fù)劑(ENB)的中空玻璃管破裂，ENB得到釋放，在毛細(xì)現(xiàn)象下ENB流動，填充到裂紋處，與預(yù)先存在的Grubbs催化劑發(fā)生反應(yīng)，修復(fù)裂紋，粘合裂紋。

試件中的修復(fù)劑得到完全反應(yīng)，粘合裂紋后，進行三點彎曲實驗。實驗加載速度為2 mm/min，跨厚比選用16∶1。對試件A、B、C再次進行詳細(xì)的分組，分組結(jié)果見表2。

表2 試件分類表

1.3 實驗整體方案

(1)研究壓力破壞實驗對試件的破壞作用：三點彎曲實驗結(jié)束后，通過計算對比試件A1與試件A2，試件B1與試件B2的彎曲性能，得到壓力破壞實驗對試件的破壞作用。

(2)研究修復(fù)劑的修復(fù)效果：三點彎曲實驗結(jié)束后，通過計算對比試件B1、試件B2與試件C的彎曲性能，得到修復(fù)劑的修復(fù)效率。

實驗流程如圖3所示。

圖3 實驗流程圖

2 結(jié)果分析

2.1 壓力破壞作用的實驗結(jié)果分析

圖4為三點彎曲實驗得到的載荷-位移曲線。可以看出如下特點。

(1)兩組曲線中各試件在加載的初始階段，載荷值均呈線性增加。隨載荷值的增大，因為(b)圖中的兩種試件內(nèi)部含有中空玻璃管，所以當(dāng)中空管纖維破裂時，最大載荷值有輕微的下降，只有當(dāng)更多的中空玻璃管進入受載狀態(tài)時，最大載荷值才會再次升高，最終導(dǎo)致曲線的峰值出現(xiàn)波動。

(2)兩組曲線的數(shù)據(jù)均能表明，在同一加載位移下，直接進行三點彎曲實驗的試件比先進行壓力破壞再進行三點彎曲實驗的試件的彎曲性能要好。

(3)兩組曲線中，試件A1的最大載荷值為1.28 kN，試件A2的最大載荷值為1.53 kN；試件B1的最大載荷值為1.12 kN，試件B2的最大載荷值為1.31 kN。

圖4 三點彎曲實驗的載荷-位移曲線

圖5為試件A1、A2以及試件B1、B2在三點彎曲實驗下的最大載荷值的統(tǒng)計柱狀圖。此處的最大載荷值為每組試件的平均值。取試件A1以及試件A2的最大載荷值的平均值進行對比，8 kN的壓力對試件的損壞程度達到了14.67%；取試件B1以及試件B2的最大載荷值的平均值進行對比，8 kN的壓力對試件的損壞程度達到了8.77%。壓力破壞實驗?zāi)軌蚪o層合板帶來損傷，實驗的損傷程度最大可達到14.67%。同時將兩組試件的壓力破壞程度進行對比，發(fā)現(xiàn)相差近一倍，說明縱置中空玻璃管能夠增加層合板的層間強度。

圖5 四組試件最大載荷的平均值

2.2 自修復(fù)的實驗結(jié)果分析

圖6為試件進行三點彎曲實驗得到的載荷-位移曲線，可以看出以下特點。

(1)在加載的初始階段，因為試件B1在三點彎曲實驗之前先進行了壓力破壞實驗，且試件B1內(nèi)部不含有修復(fù)劑，對壓力破壞實驗產(chǎn)生的損傷無法進行修復(fù)，進而降低了試件本身的性能，所以試件B2與試件C較試件B1的剛度要好。

(2)在同一加載位移下，試件B2與試件C的載荷值較試件B1的載荷值大，彎曲性能要好。

(3)層合板中的中空玻璃管經(jīng)過壓力破壞實驗的破壞，管中的修復(fù)劑能夠快速流到層合板受損部位，修復(fù)裂紋，粘合裂紋，起到修復(fù)的目的。

圖6 三點彎實驗的載荷-位移曲線

圖7為試件B1、B2、C在三點彎曲實驗下的最大載荷值的統(tǒng)計柱狀圖。此處的最大載荷值為每組試件的平均值。取三組實驗數(shù)據(jù)最大載荷值的平均值進行對比，試件C的最大載荷值的平均值雖然比試件B2的要低，但比試件B1的要高。通過對比最大載荷值，說明ENB和Grubbs催化劑組成的修復(fù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)層合板的自修復(fù)，經(jīng)計算得到已受損的試件在修復(fù)系統(tǒng)的作用下，試件的強度能恢復(fù)到原始強度的99.15%。

圖7 三組試件最大載荷的平均值

3 結(jié)論

(1)中空纖維型自修復(fù)方法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料的自修復(fù)，采用中空玻璃管縱置的放置方式不會降低材料的層間強度，且能實現(xiàn)材料的自修復(fù)。

(2)通過試件A1與試件A2，試件B1與試件B2的三點彎曲實驗的載荷-位移曲線以及四種試件最大載荷值的平均值進行對比。對比結(jié)果表明，8 kN的壓力能夠給試件帶來損傷，且損傷程度最大可達到14.67%。

(3)通過試件B1、試件B2以及試件C的三點彎曲實驗的載荷-位移曲線和三種試件最大載荷值的平均值進行對比。對比結(jié)果表明，由ENB和Grubbs催化劑組成的修復(fù)系統(tǒng)能夠修復(fù)層合板中的任一層裂紋，粘合裂紋，使受損試件的強度恢復(fù)到原強度的99.15%。

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Repair Efficiency and Mechanical Properties of Hollow Fiber Self-Healing Composite

GU Haichao1,2YANG Tao1,2DU Yu1,2

(1 Advanced Mechatronics Equipment Technology Tianjin Area Major Laboratory, Tianjin 300387) (2 School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387)

Using the repair system that consists of 5-ethylidene-2-norbornene (ENB) and Grubbs catalyst as repair agent,and the hollow glass tube with the outer diameter 0.9 mm as the carrier of the repair agent,the bending performance and self-healing efficiency of the composite material contains hollow glass tube were examined by indentation test and three point bending experiments. As a result, the indentation test brings damage to the specimens up to a maximum of 14.67% .Meanwhile, the strength of the damaged specimens under the effect of repair system can restore to the original strength 99.15%.

Hollow fiber self-healing, Composites, ENB, Grubbs catalyst

2016-10-28

國家自然科學(xué)基金(11372220)

顧海超，1991年出生，碩士研究生，研究方向為復(fù)合材料成型技術(shù)與裝備。E-mail：guhaichao00158@163.com

楊濤，1970年出生，教授。E-mail:yangtao1900@126.com

TB33

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.017