基于二维纳米组装体的复合材料分层损伤原位抑制与自感知效应研究

Delamination initiation and following propagation would lead a catastrophic failure to laminated structures. If delamination initiation is permissible to be restrained and in situ monitored from the source, a safe usage of the structures will be significantly improved. The goal of this project is to investigate the delamination initiation and corresponding in situ monitoring method by using two-dimensional nano-assembly (CNT/GP) as interlaminar interlayers, which provide both structural and functional contributions to the laminates. Firstly, CNT/GPs with high conductivity are prepared and located into the interlaminar interfaces where possess pre-cracks. Self-sensitivity of the CNT/GPs on initiation of delamination under predesigned delamination types are investigated. Then, complex and multidirectional laminates are designed and interleaved with CNT/GPs in these interfaces , where tend to delaminate under proper loads. Effect of CNT/GPs on the delamination initiation mechanism and self-sensitivity are experimentally studied. Finally, the formation of delamination initiation and corresponding physical characters are obtained by in situ micro-observation. Based on these observations, analytic methods of interlaminar stress distribution and conductivity prediction model are proposed and used to predict the stress and conductivity of the laminates. Based on the experimental and theoretical studies, a new structural and functional integrated composite will be proposed, which will possesses improved initial delamination resistance, self-sensing capability and service safety.

分层的萌生及其扩展将导致复合材料层合结构灾难性的破坏，若能对分层的萌生从源头上进行抑制并及时在线监测出来，将显著提高结构服役过程的安全性。本项目以二维纳米组装体(CNT/GP)层间强化层合结构为研究对象，首先制备导电性能优异的CNT/GP，研究其对预定类型分层萌生自感知的灵敏性；其次，将该CNT/GP并入复杂铺层层合板的层间界面，实验研究不同载荷作用下，CNT/GP对分层萌生的影响规律以及对分层损伤的自感知效应；最后，通过微观原位观察获取分层萌生的机制以及微观的损伤物理特性，建立含CNT/GP层的层间应力分析方法和导电预测模型，从理论上探讨CNT/GP对层间应力分布、分层萌生以及层合板导电机理的影响。通过实验和理论研究，发展一种全新的结构-功能一体化复合材料及其设计制备新方法，显著提升先进复合材料起始抗分层的能力、损伤自感知的能力和服役过程的安全性。

分层是复合材料层合结构最常见的损伤形式，分层会改变结构的完整性，进而降低其刚度和长期力学性能。若能从源头上抑制分层的发生，提高分层萌生的应力水平，并在分层萌生时及时监测出来，将显著降低结构破坏的可能性。. 本文首先研究了不同厚度CNT网格对GFRP分层萌生应力和损伤在线监测，结果表明，当CNT网格厚度在45-50微米范围内，可以提高III型分层萌生应力水平，并且在分层萌生瞬时，电阻变化超过20%，优于现有研究结果。通过在CNT网格中引入宏观孔隙，可显著提高CNT网格的应用厚度，相比未引入宏观孔隙情况，可使CFRP层间韧性和层间强度分别提高160%和20%。其次，本研究制备了CNT/GN复合网格，发现其具有优异的应变传感能力，作为外部应变传感器，其应变灵敏系数可以达到10，远高于传统金属应变片的2。而作为内部传感器，在面外剪切损伤发生瞬时，电阻变化可以达到34-191%，具有超高的损伤监测灵敏性。再次，本研究通过采用铜网作为模板，制备了一种新型的CNT/GN构成微管编织而成的网格，其电阻相比CNT/GN薄膜降低了1倍多，将其引入CFRP层间界面后，可以显著提高CFRP抗分层的能力，II型层间断裂韧性和层间剪切强分别提高38-60%和17-25%。同时，在II型剪切分层裂纹起始阶段，CFRP的相对电阻变化可以达到12%，远高于文献报道结果。并且，当格栅结构CNT/GN网格的介观孔隙率为30-50%时，CNT/GN/EP树脂复合材料的拉伸强度和单搭接剪切强度分别提高了27-41%和28-49%，在损伤发生瞬时，其电阻变化在拉伸载荷和SLS剪切载荷下分别突然变化超过10%和6%。最后，本文研究CNT网格的不同形式在层间裂纹自修复、电加热除冰和对CFRP低温性能的影响。结果表明，引入CNT网格后，纤维复合材料具有较好的裂纹自愈合能力；并且电加热速率高达30C/min，在4min可实现CFRP表面冰层融化；可以显著提高CFRP的低温力学性能等。. 本文对CNT或CNT/GN复合薄膜的研究具有显著的实际应用价值，即作为力学性能强化时，要考虑其厚度、孔隙和微观结构对力学性能的影响，而作为应变或损伤传感器时，要考虑其微观结构对电阻的影响，对高导电CFRP，要采用孔隙率大的网格。