层合结构复合材料基体多网络交联及自修复功能研究

脱层是层合结构复合材料最主要的损伤模式，是制约其应用的瓶颈。通过在复合材料基体中引入可逆反应修复体系，实现裂纹自修复功能，可望从源头上抑制脱层失效，从而提高复合材料服役可靠性。限制可逆反应修复应用于复合材料的障碍在于目前尚不清楚基体分子结构对修复反应活性及修复效能的影响机制，无法解决修复效率与材料耐热性之间的矛盾。本课题以此为切入点，通过引入刚性萘环作为分子主链骨架，以环氧基团及少量烯丙基共聚形成不可逆交联网络赋予基体树脂高耐热性，以呋喃和酰亚胺作为修复基团形成Diels-Alder可逆反应交联网络实现可修复功能，设计合成多网络交联型复合材料基体树脂。通过研究修复反应动力学，探索分子结构与可逆反应活性的内在关系及其影响机理；制备相应层合结构复合材料，从力学性能角度评价其修复效能，详细探讨并阐明修复效率、耐热性、力学性能同基体树脂分子结构之间的关联特性，为其实际工程应用奠定必要的研究基础。

本项目着眼于复合材料的自我修复功能，通过在复合材料基体中引入可逆反应修复体系,实现裂纹自修复功能,在源头上抑制脱层失效,从而提高了复合材料服役可靠性。. 本项目所解决的核心科学问题，包括：1）通过引入刚性萘环作为分子主链骨架,以环氧基团及少量烯丙基共聚形成不可逆交联网络赋予基体树脂高耐热性,以呋喃和酰亚胺作为修复基团形成Diels-Alder可逆反应交联网络实现可修复功能,从而解决了修复效率与材料耐热性之间的难以平衡的矛盾；2）通过动态扫描量热法，采用等转化率模型研究了萘环、酰亚胺等交联基团的反应动力学参数，获取了大量的实验数据，包括酰亚胺与呋喃反应的反应转化率随温度变化、体系粘度、基团含量之间互相影响机制，为项目的应用提供了极其重要的科学基础数据；3）通过铺贴热压法制备了相应层合结构复合材料,从力学性能角度评价其修复效能,详细研究了修复温度对修复效能的影响，当修复温度接近相转变温度时，修复效率可达到86.2%，同时证明了分子链的形态、材料的形状记忆效应对修复效能有紧密相关性，是进一步开展后续研究的重要方向。. 本项目研究工作，涉及环氧树脂的分子结构设计、合成与制备、固化反应参数及模型、成型装备与工艺、结构性能表征等方面，成功合成出六种新型复合材料基体树脂并衍生出多个细分树脂结构，包括含有萘环、酰亚胺、呋喃结构环氧树脂，萘环、烯丙基多重网络交联型环氧树脂，含联苯、呋喃结构环氧树脂，用于复合材料微径拉挤成型工艺的自修复环氧树脂，通过引入酰亚胺结构得到磷氮阻燃耐热型环氧树脂等新型分子结构复合材料基体树脂。.同时，本项目在自修复方面的基础研究成果已成功嫁接在芳纶纤维复合材料光缆增强芯的制备技术中，用于芳纶纤维复合材料的微径拉挤成型工艺，通过后固化过程，在线修复模具热挤压过程中应力累积所产生的微裂纹，最直接的有益效果表现在所制备材料的弯曲韧性提高一倍以上，最小弯折半径减小60%，各项指标显著优于同类产品，实现了产业化并形成经济效益。. 本项目相关研究成果，发表论文6篇，申请发明专利11项，已授权1项，期间获省级科学技术奖1项，市级人才奖1项，培养研究生3名。基于本项目研究成果，项目负责人申获省级工业支撑计划等多个应用研究项目，基金的资助为个人和团队进入独立科研领域提供了不可替代的平台和基础，也使项目负责人通过实践找到科研价值追求，立志做有益的科研、做有用的科研。