金納米粒子-熱塑性樹脂基復(fù)合材料光引發(fā)自修復(fù)效應(yīng)與機(jī)理.pdf

1、熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有韌性良好、可再次回收利用等優(yōu)點(diǎn)，尤其是高性能熱塑性聚合物的快速發(fā)展促進(jìn)了熱塑性樹脂基復(fù)合材料在各項(xiàng)領(lǐng)域的應(yīng)用，這也使得對熱塑性樹脂基復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究顯得尤為重要。對于樹脂基復(fù)合材料經(jīng)常出現(xiàn)的一個問題就是材料在使用過程中，由于受到外部環(huán)境溫度變化及載荷等外界作用，材料會受損產(chǎn)生微小裂紋，這些裂紋會進(jìn)一步擴(kuò)展形成宏觀上的裂紋，最終使材料失效。針對上述問題，本論文旨在通過金納米粒子（AuNPs）光熱效應(yīng)可以使AuNP

2、s升溫，并快速加熱周圍的介質(zhì)材料這一特性，對受損尺度大小不同的熱塑性樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行光熱修復(fù)。制備了不同種類的光引發(fā)型自修復(fù)材料，并對其修復(fù)機(jī)制進(jìn)行了理論分析，同時對修復(fù)的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究，最終得到較優(yōu)的修復(fù)條件。
　　本文通過化學(xué)還原法制備了不同粒徑的球形AuNPs，合成的AuNPs單分散性好，形狀規(guī)則，并且制備的AuNPs粒徑大小可以通過計算精確得出，最終的計算值與測量值偏差很小。通過已制備的AuNPs，我們對其光熱效應(yīng)

3、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明AuNPs可以有效的將光能轉(zhuǎn)化為熱量，并加熱周圍介質(zhì)，使其升溫。但是光熱效應(yīng)需要特定頻率的入射光源引發(fā)，入射光源的頻率與AuNPs自身振動頻率相近時才能有效的激發(fā)AuNPs的光熱效應(yīng)，同時AuNPs的粒徑大小對光熱效應(yīng)影響很大，但并不是粒徑越大光熱效應(yīng)越強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在激發(fā)光源波長為532nm時，粒徑28nm左右的AuNPs的光熱轉(zhuǎn)換效率會達(dá)到一個較優(yōu)值。
　　在驗(yàn)證了AuNPs光熱效應(yīng)有效性后，本文利用A

4、uNPs光熱效應(yīng)對熱塑性樹脂涂層的劃痕進(jìn)行修復(fù)，這種方法，樹脂基體分子鏈無需重新設(shè)計，其性能也不會受到影響，修復(fù)手段簡單經(jīng)濟(jì)。該方法只需將少量的AuNPs加入樹脂涂層當(dāng)中，AuNPs可以作為微小的“熱源”賦予樹脂涂層自修復(fù)能力。當(dāng)涂層受損出現(xiàn)劃痕時，用特定頻率的光源照射劃痕處可以使含有AuNPs的熱塑性樹脂涂層不僅可以使材料表面形貌得到了修復(fù)，而且還能夠有效的保護(hù)基底不被腐蝕。這種修復(fù)機(jī)制是基于AuNPs的光熱效應(yīng)可以有效的加熱其周圍的

5、熱塑性樹脂，使樹脂熔融，并且由于修復(fù)過程是局部加熱會產(chǎn)生朝向斷口方向的熱膨脹，促使熔融的樹脂向斷口處流動，使其相進(jìn)入接觸，最終當(dāng)撤去光源樹脂冷卻重新結(jié)晶，受損處得到修復(fù)。對于涂層的劃痕修復(fù)也證明了AuNPs的光熱效應(yīng)可以有效的修復(fù)尺度較大的表面損傷。
　　AuNPs光熱效應(yīng)不僅可以修復(fù)尺度較大的表面劃痕，還可以修復(fù)尺度極小的材料內(nèi)部裂紋。本文利用光熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對尺度極小的纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的界面修復(fù)。AuNPs可以通過電泳沉積

6、法與化學(xué)接枝的方式吸附在纖維的界面層處，并可以通過改變電泳沉積參數(shù)及偶聯(lián)劑濃度調(diào)節(jié)AuNPs沉積密度，隨后制備成相應(yīng)的復(fù)合材料。當(dāng)復(fù)合材料的界面受損脫粘時，用特定頻率的光源照射數(shù)分鐘后，界面就可以得到修復(fù)。掃描電鏡與界面剪切強(qiáng)度測試結(jié)果表明：經(jīng)過光熱修復(fù)，碳纖維/AuNPs/PMMA復(fù)合材料不僅界面的表面形貌得到了修復(fù)，界面的機(jī)械性能也得到了極高的恢復(fù)，修復(fù)率可以達(dá)到93.9％。除碳纖維/AuNPs/PMMA復(fù)合材料外，本文對玻璃纖維增

7、強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的光熱修復(fù)也進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：玻璃纖維增強(qiáng)多種熱塑性樹脂復(fù)合材料的受損界面也可以通過光熱效應(yīng)進(jìn)行修復(fù)，并且修復(fù)率極高，這進(jìn)一步證實(shí)了光熱效應(yīng)修復(fù)復(fù)合材料界面的普適性。
　　當(dāng)AuNPs與氧化石墨烯（GO）復(fù)合在一起時可以大大增強(qiáng)AuNPs的光熱效應(yīng)，溫度測試結(jié)果表明GO對AuNPs的光熱升溫增強(qiáng)可達(dá)1.6倍，并且反復(fù)加熱后仍具有很高的穩(wěn)定性。因此本文利用化學(xué)接枝法將Au NPs吸附在GO片層的表面，制備成G

8、O-AuNPs材料，將其用于修復(fù)熱性能較高的熱塑性樹脂材料，如熱塑性聚氨酯（TPU）等。測試結(jié)果表明，經(jīng)過光熱修復(fù)，GO-AuNPs/TPU復(fù)合材料不僅界面的表面形貌得到了修復(fù)，材料的機(jī)械性能也得到了極高的恢復(fù)，當(dāng)GO-AuNPs含量為1%時經(jīng)過光強(qiáng)為400W/cm2的光源修復(fù)10s后，GO-AuNPs/TPU的修復(fù)率可高達(dá)90.1%。除此之外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加入不同含量的GO-AuNPs后，復(fù)合材料的熱性能及機(jī)械性能都會得到相應(yīng)的提高。