微波調(diào)控石墨烯-碳納米管協(xié)同增強聚氨酯損傷自修復研究.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)，被廣泛應用于國防、航空航天、土木等領(lǐng)域。但由于聚合物強度普遍不高，且在外力作用下極易損傷進而導致材料失效，嚴重危害結(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)域的應用。為拓寬熱塑性聚合物的應用領(lǐng)域，探索出兼具優(yōu)良的力學性能和自修復特性的聚合物是促進熱塑性聚合物材料進一步發(fā)展和應用的重要任務。本文以熱塑性聚氨酯(TPU)為研究對象，采用溶液共混法制備出在微波誘導下能

2、實現(xiàn)自修復且兼具力學增強的石墨烯（G）和碳納米管(CNT)協(xié)同增強的聚氨酯（TPU）復合材料。通過力學實驗及材料微觀表征（SEM）對復合材料性能進行測試，并從細觀力學、電磁學、熱學等角度對TPU復合材料力學性能和微波誘導下的自修復性能進行研究，主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）在力學性能研究方面，對制備的不同石墨烯含量G/TPU材料的力學性能的研究發(fā)現(xiàn)：隨著石墨烯含量增加，復合材料抗拉強度先增后減（含量為1.5％時抗拉強度達到最佳），

3、其最佳值較純TPU抗拉強度提高了35%。為進一步提高聚氨酯的拉伸強度，本文采用G-CNT填料來替換石墨烯增強相，制備出G-CNT不同質(zhì)量比的 G-CNT/TPU復合材料，通過力學性能研究發(fā)現(xiàn)：隨著石墨烯和碳納米管質(zhì)量比的減小，G-CNT/TPU復合材料抗拉強度先增后減，當G-CNT比例為3:1時，其抗拉強度達到最佳，其較純TPU、G/TPU、CNT/TPU抗拉強度分別提高了67%、18%和25%。在此，通過基于剪滯理論的復合材料細觀力學

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TPU復合材料的力學增強機制，結(jié)果表明：石墨烯與碳納米管形成的三維復合結(jié)構(gòu)將改善增強相在基體中的分散性，并在提高其與基體之間的應力傳遞效率和材料抗拉強度中具有積極的促進作用。
　?。?）在復合材料損傷裂紋修復機理研究方面，本文首先對G/TPU、G-CNT/TPU、CNT/TPU三種復合材料的自修復性能進行實驗，結(jié)果表明：三種復合材料在微波誘導下均可實現(xiàn)完全修復，當G-CN

5、T比例為3:1時，復合材料力學強度恢復率高達117%。此外，由于在微波處理過程中，材料內(nèi)部的熱傳導過程及電磁場分布將直接影響其裂紋修復及力學性能。為此，采用有限元軟件ANSYS模擬材料內(nèi)部熱傳導過程，結(jié)果表明：復合材料在微波處理過程中能實現(xiàn)宏觀裂紋各部位均勻、快速加熱，短時間內(nèi)即可修復好損傷材料。同時，還利用Ansoft HFSS軟件模擬裂紋處微波場分布，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，進而實現(xiàn)裂紋自愈合