基于内联三维自修复网络的热固性复合材料制备与自修复机理及其力学性能研究

The inter-connected mendable polymer networks provide a new and efficient way of achieving self-healing of epoxy matrix composites. The network of self-healing channels in composite materials will be designed using mendable polymer stitching or 3D weaving. This provides a new and practical means of achieving synergistic effects of interlaminar toughening and self-healing in multiple damage locations both at ply interfaces and within plies. The self-healing composite laminates containing a three dimensional thermoplastic fibre system will be manufactured. The effect of thermoplastic network insertion, the self-healing efficiency and mechanical performance of composites will be evaluated by experiments. In order to investigate the flow resistance characteristics of self-healing fluid flowing in a two-size，network structure，analytical and numerical models will be built． The relative flow resistance of a fluid moving from two-size duct structure to a uniform size duct structure will be calculated and physicochemical property of resin for explaining the self-healing mechanism． The proposed research aims to creating and analysing the self-healing system bynumerical simulation of the microstructure，mechanical properties ，including the micro-crack initiation and propagation，crack healing and rehabilitation of strength . The self-healing system with network structure will then be optimised based on the the numerical simulation. This technology will achieving the synergistic combination of interlaminar toughening and self-healing of epoxy matrix composites and supply enough mendable polymer to repair damage involving interply and intraply cracking in multiple ply layers.Theoretical breakthroughs are expected to be achieved in self-healing composite material and mechanics. The self healing mechanism based on inter-connected mendable polymer networks will be clarified. The Research will lay the foundation for the application of self-healing composite materials.

内联自修复网络为对智能复合材料基体微裂纹提供了一种新型高效的自修复方法。研究利用热塑性纤维在热固性复合材料中建立3D网状微通道的自修复网络设计方法，该网络提供了热固性复合材料层间增韧和任何位置（层间和层内）损坏的自修复；制作含3D网状微通道复合材料构件，采用实验研究方法研究含3D网状微通道对复合材料自修复机理及其力学性能；研究自修复用热塑性树脂在双尺度网状通道中的流阻特性以及在微通道中的流动情况，结合修复剂物理化学性能探求网状微通道自修复机理；建立用于自修复微通道结构的力学及其仿真模型，进行力学性能预测，裂纹修复及修复强度预测，实现自修复网络结构优化。这种新方法将使层间增韧和裂缝多次自修复有机结合起来,通过网络提供源源不断的修复剂来修补层间或层内损伤，极大提高了自修复效率。通过研究，有望在智能复合材料自修复理论及力学性能上取得突破，揭示内联自修复网络的自修复机理，为智能材料的应用打下基础。

复合材料由于其强度高、刚度大、质量轻、可设计性强等一系列优点，广泛应用于航空、航天等领域中。然而，聚合物基复合材料层合板在加工成型和使用过程中，材料内部易发生分层等损伤，从而引起材料整体性能的下降，因此，研制出对裂纹能进行快速高效自修复的材料，以及对材料内部进行缺陷检测，对于保持材料的性能至关重要。. 本研究项目的结果包括以下四方面内容：（1）利用热塑性树脂纤维EMAA将铺层好的预浸料沿厚度方向进行缝合及平面方向进行编入，建立起内联三维自修复网络，制备含3D网状微通道复合材料的构件，采用实验研究方法研究含3D网状微通道对复合材料力学性能的影响、自修复机理及其力学性能。基于粘聚区的界面单元法，建立模拟修复剂及树脂基体的双分区粘聚区模型，并在此基础上进行含内联三维自修复网络复合材料的有限元建模及分层裂纹起始及扩展过程仿真。（3）在层合板预浸料中沿厚度方向直接嵌入带修复剂的中空纤维玻璃管，起到类似Z-pin的效果，这样既能提高层合板的层间强度，还能实现材料的自修复效果。在外加载荷作用下，含Z-pin型中空纤维玻璃管的层合板，能够增强层间强度，随外加载荷的增加，中空纤维玻璃管破裂，修复剂得到释放，粘合裂纹区域，还能够起到自修复的效果。（4）探究不同铺层角度和不同修补斜度的层合板的修补效率，采取[±45]4s和[0/90]4s两种不同的铺层方式对修补试件进行对比，并分别选取四种不同且有较大区分度的斜度即1:10、1:15、1:20、1：25，对不同修补斜度的层合板胶接修补后进行力学性能分析，得到修补斜度与修补效率之间的关系。（5）利用模态柔度曲率矩阵和曲率模态差，探讨复合材料梁结构损伤的无损识别方法。结合有限元模拟和模态实验，对具有单损伤、多损伤和不同损伤程度的复合材料梁结构进行模态分析，来识别结构的损伤位置和程度。