微波調(diào)控石墨烯-碳納米管協(xié)同增強(qiáng)聚氨酯損傷自修復(fù)研究.pdf

1、熱塑性聚合物在耐磨、耐輻射和抗沖擊等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、土木等領(lǐng)域。但由于聚合物強(qiáng)度普遍不高，且在外力作用下極易損傷進(jìn)而導(dǎo)致材料失效，嚴(yán)重危害結(jié)構(gòu)的安全性，也因此阻礙了熱塑性聚合物在一些重要工程和尖端領(lǐng)域的應(yīng)用。為拓寬熱塑性聚合物的應(yīng)用領(lǐng)域，探索出兼具優(yōu)良的力學(xué)性能和自修復(fù)特性的聚合物是促進(jìn)熱塑性聚合物材料進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的重要任務(wù)。本文以熱塑性聚氨酯(TPU)為研究對(duì)象，采用溶液共混法制備出在微波誘導(dǎo)下能

2、實(shí)現(xiàn)自修復(fù)且兼具力學(xué)增強(qiáng)的石墨烯（G）和碳納米管(CNT)協(xié)同增強(qiáng)的聚氨酯（TPU）復(fù)合材料。通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)及材料微觀表征（SEM）對(duì)復(fù)合材料性能進(jìn)行測(cè)試，并從細(xì)觀力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)等角度對(duì)TPU復(fù)合材料力學(xué)性能和微波誘導(dǎo)下的自修復(fù)性能進(jìn)行研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）在力學(xué)性能研究方面，對(duì)制備的不同石墨烯含量G/TPU材料的力學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)：隨著石墨烯含量增加，復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度先增后減（含量為1.5％時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最佳），

3、其最佳值較純TPU抗拉強(qiáng)度提高了35%。為進(jìn)一步提高聚氨酯的拉伸強(qiáng)度，本文采用G-CNT填料來替換石墨烯增強(qiáng)相，制備出G-CNT不同質(zhì)量比的 G-CNT/TPU復(fù)合材料，通過力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)：隨著石墨烯和碳納米管質(zhì)量比的減小，G-CNT/TPU復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度先增后減，當(dāng)G-CNT比例為3:1時(shí)，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到最佳，其較純TPU、G/TPU、CNT/TPU抗拉強(qiáng)度分別提高了67%、18%和25%。在此，通過基于剪滯理論的復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)

4、模型，并結(jié)合材料微觀形貌表征，綜合分析了碳納米管和石墨烯增強(qiáng)TPU復(fù)合材料的力學(xué)增強(qiáng)機(jī)制，結(jié)果表明：石墨烯與碳納米管形成的三維復(fù)合結(jié)構(gòu)將改善增強(qiáng)相在基體中的分散性，并在提高其與基體之間的應(yīng)力傳遞效率和材料抗拉強(qiáng)度中具有積極的促進(jìn)作用。
　?。?）在復(fù)合材料損傷裂紋修復(fù)機(jī)理研究方面，本文首先對(duì)G/TPU、G-CNT/TPU、CNT/TPU三種復(fù)合材料的自修復(fù)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：三種復(fù)合材料在微波誘導(dǎo)下均可實(shí)現(xiàn)完全修復(fù)，當(dāng)G-CN

5、T比例為3:1時(shí)，復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度恢復(fù)率高達(dá)117%。此外，由于在微波處理過程中，材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程及電磁場(chǎng)分布將直接影響其裂紋修復(fù)及力學(xué)性能。為此，采用有限元軟件ANSYS模擬材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)過程，結(jié)果表明：復(fù)合材料在微波處理過程中能實(shí)現(xiàn)宏觀裂紋各部位均勻、快速加熱，短時(shí)間內(nèi)即可修復(fù)好損傷材料。同時(shí)，還利用Ansoft HFSS軟件模擬裂紋處微波場(chǎng)分布，結(jié)果表明：微波在材料裂紋處發(fā)生聚焦，有效保證了裂紋處的能量供給，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裂紋自愈合