碳纖維復合材料的損傷問題

雖然碳纖維復合材料有眾多優(yōu)點，但是由于其自身的特性，在服役過程中受到低速沖擊和外部環(huán)境因素劇烈變化時不可避免地會產(chǎn)生損傷，其中基體裂紋是一種主要的損傷形式�；�體裂紋的產(chǎn)生往往是復合材料機械力學性能降低的開端，將導致其剛度和強度等機械力學性能下降進而制約其使用的可靠性�；�體裂紋擴展導致復合材料層間受到正應力及剪應力的作用，當應力突破層間承載極限便造成層間分層，乃至復合材料各層之間裂紋連通從而發(fā)展成宏觀裂紋，影響構件的結構穩(wěn)定性。

02
碳纖維復合材料修復技術

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碳纖維釣魚竿的修補
圖片來源：Easy Composites

傳統(tǒng)碳纖維復合材料修復技術是指用高性能的碳纖維復合材料修補缺陷或損傷的結構，實現(xiàn)降低裂紋的擴展速率、制止裂紋的擴展、降低結構損傷部位的應力水平的效果，在一定程度上提高臨界裂紋長度，使損傷構件的功能和承載能力得以最大限度的恢復，達到延長結構使用壽命的目的。傳統(tǒng)的修復方法包括焊接修復、修補修復、新添樹脂原位固化修復等。這些修復方法可以對材料表面的裂紋進行修復，對材料的性能維護起到一定的積極作用。但對于復合材料內(nèi)部的裂紋，由于其難以被發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的修復技術已經(jīng)不能滿足修復要求。而且傳統(tǒng)的修復技術往往成本高、技術難度大、耗時久。因此必須開發(fā)更高效的修復方法，而自修復正是一種新的具有巨大潛力的復合材料修復技術。

03
自修復技術的應用

裂紋的早期修復，特別是自修復是一個現(xiàn)實而重要的問題。自修復復合材料模仿生物體的自愈機制，可以在使用過程中對自身內(nèi)部的裂紋進行診斷，并通過不同機理實現(xiàn)自動修復，從而達到有效延長材料使用壽命，消除材料安全隱患的效果。自修復材料按照是否添加修復劑可分為外援型自修復和本征型自修復兩大類。外援型自修復通過在材料內(nèi)部分散或復合一些功能性物質(zhì)，當材料的結構受到損壞時，功能性物質(zhì)會迅速流出，填充在損傷部位，實現(xiàn)快速修復，這些功能性物質(zhì)主要封裝在微囊或微脈管結構里；本征型自修復主要通過自身體系化學鍵的斷裂和重組實現(xiàn)材料的自修復，該過程可通過加熱等方式向體系提供能量，使其發(fā)生結晶、在表面形成膜或產(chǎn)生化學鍵交聯(lián)等作用來實現(xiàn)修復。

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碳纖維環(huán)氧復合材料分層裂紋的自修復研究

分層會改變復合材料結構的完整性并降低其剛度和長期力學性能，若能在分層萌生時就及時修復，必將提高結構服役的安全性。

劉玲教授針對碳纖維/環(huán)氧復合材料的分層裂紋，引入具有原位電熱修復功能的自修復網(wǎng)絡薄膜，研究了分層萌生載荷-分層損傷修復率的最優(yōu)關系。通過實驗和理論研究，發(fā)展了一種全新自修復機制的CFRP，顯著提升其使用壽命、充分發(fā)揮其減重效益和減輕CFRP大量報廢對環(huán)境的影響。

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為了更好的了解碳纖維環(huán)氧復合材料分層裂紋的自修復研究，2021年11月18-20日在上海舉行的“Carbontech碳纖維及碳/碳復合材料論壇” 特邀同濟大學劉玲教授蒞臨本次大會，分享《碳纖維環(huán)氧復合材料分層裂紋的自修復研究》主題報告。
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專家介紹

劉玲：同濟大學航空航天與力學學院教授，主要從事樹脂基復合材料損傷監(jiān)測與自修復、復合材料及結構超低溫力學行為以及納米復合材料等領域的研究工作，解決了復合材料分層損傷在線監(jiān)測和損傷自修復一體化關鍵問題。主持國家自然科學基金項目4項，參與國家973和上海市重點項目若干項。在國際權威期刊發(fā)表學術論文50余篇，被SCI他引1000多次。 返回小木蟲查看更多