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复合材料在制造和使用过程中容易形成难以检查和修复的微裂纹,严重影响其结构完整性和使用寿命。通过在材料中加入一些具有粘结特征的材料作为中间介质,模拟生物体进行自主诊断和修复局部损伤,使复合材料对微裂纹损伤进行自修复,恢复材料原有的性能。为研究该自修复技术,选用环氧树脂作为基体材料,相似的环氧组分作为修复剂,制备中空纤维埋植型自修复复合材料。研究了毛细管内径尺寸对复合材料修复前后力学性能的影响,以及毛细管内径尺寸、修复温度和时间对基体材料修复效率的影响;观察了拉伸断面、修复裂纹的微观形貌。
力学测试结果表明,毛细管埋入对环氧基体的硬度几乎没有影响。试样修复前,毛细管内径尺寸从0.1mm.增大到0.5mm,试样冲击强度逐渐下降,毛细管内径尺寸为0.1～0.3mm时,对基体冲击强度起到一定增强作用。埋植有含修复剂的毛细管试样,80℃、100℃和120℃修复后,毛细管内径尺寸由0.1mm增大到0.5mm,试样冲击强度同样呈现为先上升后下降。未添加修复剂试样的拉伸强度和断裂伸长率随着毛细管内径尺寸0.1mm增加到0.5mm,分别下降2.572Mpa和4.228%,而添加了修复剂后的试样在100℃修复前后,随着毛细管内径从0.1mm增加到0.5mm,拉伸强度分别增长了1.342Mpa和0.228Mpa,断裂伸长率增长了1.916%和3.103%,但试样修复后的拉伸强度和断裂伸长率较修复前下降较大。
修复效率结果表明:试样在80℃和100℃下分别修复后,修复效率随着毛细管内径增大逐渐上升,毛细管内径为0.4mm时,修复效率达到最大值(分别为76.27%和79.29%),之后不再上升;120℃修复时,修复效率逐渐上升直到毛细管内径增大到0.5mm试样修复效率最大(76.82%)。试样分别在80℃、100℃和120℃修复后,修复温度影响分析表明,修复温度为100℃时修复效率达到最大值,100℃的修复效率比80℃高1.48%,比120℃的高2.07%左右;修复时间影响分析表明,试样修复6h后达到最大修复效率:分别为72.27%(80℃),79.29%(100℃)和76.80%(120℃)。
扫描电镜分析表明,埋植有毛细管的环氧试样比纯环氧试样的拉伸断裂面要更加平滑。观察到毛细管与环氧基体间的微小缝隙,说明基体拉伸性能的下降,一定程度上受毛细管与环氧基体间的不完全相容的影响。双目偏光显微镜观察到,试样断裂修复后,两个断裂面经过修复结合很紧密。
以环氧树脂WSR618为基体材料,选用与基体化学结构相似的缩水甘油封端双酚A-环氧氯丙烷共聚物作修复剂,制备了热焊接自修复复合材料。对液芯自修复复合材料和热焊接自修复复合材料的性能进行了对比。结果表明:液芯纤维自修复复合材料100℃、修复6h的一次修复效率达79.29%,远高于热焊接自修复复合材料100℃、修复6h的一次修复效率36.7%。两种自修复复合材料的修复效率都随着修复次数增加而下降,埋有内径0.4mm毛细管的液芯纤维自修复复合材料100℃修复6h的一次、二次、三次修复效率分别79.29%、27.8%、2.9%,二次、三次修复效率较一次修复效率大幅下降;相同条件下,修复剂填充量为7.5wt%的热焊接自修复复合材料一次、二次、三次修复效率分别32.0%、28.0%、26.0%,二次、三次修复效率较一次修复效率下降幅度较平缓。