金納米粒子-熱塑性樹脂基復合材料光引發(fā)自修復效應與機理.pdf

1、熱塑性樹脂基復合材料具有韌性良好、可再次回收利用等優(yōu)點，尤其是高性能熱塑性聚合物的快速發(fā)展促進了熱塑性樹脂基復合材料在各項領域的應用，這也使得對熱塑性樹脂基復合材料的基礎研究顯得尤為重要。對于樹脂基復合材料經(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，這些裂紋會進一步擴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合材料進行光熱修復。制備了不同種類的光引發(fā)型自修復材料，并對其修復機制進行了理論分析，同時對修復的影響因素進行系統(tǒng)研究，最終得到較優(yōu)的修復條件。
　　本文通過化學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

3、進行實驗驗證。結果表明AuNPs可以有效的將光能轉化為熱量，并加熱周圍介質(zhì)，使其升溫。但是光熱效應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，同時AuNPs的粒徑大小對光熱效應影響很大，但并不是粒徑越大光熱效應越強，實驗結果表明在激發(fā)光源波長為532nm時，粒徑28nm左右的AuNPs的光熱轉換效率會達到一個較優(yōu)值。
　　在驗證了AuNPs光熱效應有效性后，本文利用A

4、uNPs光熱效應對熱塑性樹脂涂層的劃痕進行修復，這種方法，樹脂基體分子鏈無需重新設計，其性能也不會受到影響，修復手段簡單經(jīng)濟。該方法只需將少量的AuNPs加入樹脂涂層當中，AuNPs可以作為微小的“熱源”賦予樹脂涂層自修復能力。當涂層受損出現(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，而且還能夠有效的保護基底不被腐蝕。這種修復機制是基于AuNPs的光熱效應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，使其相進入接觸，最終當撤去光源樹脂冷卻重新結晶，受損處得到修復。對于涂層的劃痕修復也證明了AuNPs的光熱效應可以有效的修復尺度較大的表面損傷。
　　AuNPs光熱效應不僅可以修復尺度較大的表面劃痕，還可以修復尺度極小的材料內(nèi)部裂紋。本文利用光熱效應實現(xiàn)了對尺度極小的纖維增強熱塑性復合材料的界面修復。AuNPs可以通過電泳沉積

6、法與化學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，隨后制備成相應的復合材料。當復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。掃描電鏡與界面剪切強度測試結果表明：經(jīng)過光熱修復，碳纖維/AuNPs/PMMA復合材料不僅界面的表面形貌得到了修復，界面的機械性能也得到了極高的恢復，修復率可以達到93.9％。除碳纖維/AuNPs/PMMA復合材料外，本文對玻璃纖維增

7、強熱塑性樹脂復合材料的光熱修復也進行了驗證，結果表明：玻璃纖維增強多種熱塑性樹脂復合材料的受損界面也可以通過光熱效應進行修復，并且修復率極高，這進一步證實了光熱效應修復復合材料界面的普適性。
　　當AuNPs與氧化石墨烯（GO）復合在一起時可以大大增強AuNPs的光熱效應，溫度測試結果表明GO對AuNPs的光熱升溫增強可達1.6倍，并且反復加熱后仍具有很高的穩(wěn)定性。因此本文利用化學接枝法將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。測試結果表明，經(jīng)過光熱修復，GO-AuNPs/TPU復合材料不僅界面的表面形貌得到了修復，材料的機械性能也得到了極高的恢復，當GO-AuNPs含量為1%時經(jīng)過光強為400W/cm2的光源修復10s后，GO-AuNPs/TPU的修復率可高達90.1%。除此之外，實驗結果表明加入不同含量的GO-AuNPs后，復合材料的熱性能及機械性能都會得到相應的提高。