一种双重自修复纤维增强树脂基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双重自修复纤维增强树脂基复合材料及其制备方法，属于纤维增强树脂基复合材料技术领域，将Vitrimer环氧树脂作为CFRP基体，以实现本征型自修复；将可降解的聚乳酸纤维平铺于纤维预制体中降解后形成微脉管，以实现外援型自修复；通过复合材料成型工艺成型了双重自修复CFRP，实现了本征型和外援型自修复的有效结合，在复合材料基体产生裂纹乃至分层损伤时，多次修复CFRP中的微裂纹、孔隙等难以检测和预防的损伤，满足继续服役的性能要求，同时可以根据实际情况进行选择在微脉管填充不同类型的修复剂体系以可实现不同条件下的修复，修复条件具有很大的灵活性。修复条件具有很大的灵活性。修复条件具有很大的灵活性。

【技术实现步骤摘要】
一种双重自修复纤维增强树脂基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于纤维增强树脂基复合材料
，具体涉及一种双重自修复纤维增强树脂基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]纤维增强树脂基复合材料由于其具有高比强度、高比模量、结构尺寸稳定性高、耐疲劳、耐腐蚀等优异的物理及力学性能，已广泛应用于航空航天、兵器装备、交通运输、体育器材等多个领域，具有较好的应用发展前景。然而纤维增强树脂基层合板各铺层之间缺少纤维连接，仅依靠聚合物基体承担传递载荷作用，因而其抗层间分层能力较弱，在服役过程中，纤维层间的树脂基体容易产生裂纹导致分层失效。另一方面，在复合材料制备过程中，由于工艺原因，基体中不可避免地会有微裂纹和微孔隙存在，这些缺陷都将对纤维增强树脂基复合材料的性能造成不利影响。为改善这些问题，利用自修复技术，可以一定程度上消除复合材料在制造过程中产生的内部缺陷以及在服役过程中外力导致的破坏，从而延长服役寿命、提高结构可靠性。
[0003]功能性自修复材料自White首次提出之后，发展迅速，目前已经形成了一定的理论体系和实践经验，主要包括两大体系：本征型自修复(如Vitrimer自修复)和外援型自修复(如微脉管和微胶囊自修复)，其中本征型自修复指的是高分子链中包括动态可逆共价键的树脂材料，其自修复过程是通过材料自身包含的动态可逆共价键实现的，它可以在基体出现裂纹、损伤等缺陷时通过外部刺激(诸如热、光、力、pH等)作用，材料内动态共价键的断裂与重组可诱导高分子网络结构的动态调整；当刺激消除后，动态共价键高分子又可表现出一般共价高分子般的高稳定性。其最大的优点是不需要考虑外加物质与基体的相容性，具有自修复性能的同时不降低原始复合材料的性能。外援型自修复是指在胶囊或中空脉管内部装填修复剂，当材料受外力作用发生损伤时，胶囊或脉管破裂，储存在其中的修复剂释放并在损伤区域内发生化学反应达到修复效果。微胶囊型自修复中每个胶囊只能修复一次，随着修复的进行效率逐渐降低，而连通的微脉管可以在修复剂用尽时注入新的修复剂实现多次高效修复过程。
[0004]复合材料服役环境复杂，因此服役过程中有可能面临不同情况的损伤，而目前的本征型自修复或微脉管修复方式均需要对应特定的修复条件，面对复杂的损伤条件时，上述两种修复方式不能灵活使用，因此，如何在保证材料性能的基础上，提高材料修复的灵活性且修复效率高，是纤维增强树脂基复合材料修复的难点。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术公开了一种双重自修复纤维增强树脂基复合材料及其制备方法，制备了基于PLA微脉管与Vitrimer树脂双重自修复的纤维强度高，在纤维未发生损伤而基体发生裂纹乃至分层损伤等情况下，能够修复树脂基体中的微裂纹、孔隙等难以察觉的缺陷，满足继续服役的性能要求，同时可以根据实际情况选择在微脉管填充不同类
型的修复剂体系以可实现不同条件下的修复，修复条件具有很大的灵活性。
[0006]本专利技术的第一个目的是提供一种双重自修复纤维增强树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、包含PLA(聚乳酸)的纤维预制体的制备
[0008]将PLA纤维均匀平行排布于纤维布层间，且保持PLA平直状态，制备包含PLA的纤维预制体；
[0009]Vitrimer环氧树脂液的制备
[0010]以环氧化合物和酸酐或多元羧酸为原料，金属化合物为固化交联反应的催化剂，分别加热熔化并冷却至60～90℃后，混合搅拌均匀，得到Vitrimer环氧树脂液；
[0011]S2、包含PLA的纤维增强复合材料层合板的制备
[0012]通过VARI(真空辅助树脂注射)或RTM(树脂转移模塑成形)工艺，在0.1～0.5MPa压力下，将S1制得的Vitrimer环氧树脂液注入S1制得的包含PLA的纤维预制体中，固化交联，制得包含PLA的纤维增强复合材料层合板；
[0013]S3、微脉管的形成
[0014]将S2制得的层合板在真空条件下，且于180～200℃中保温至PLA纤维降解，在复合材料层合板中形成微脉管；
[0015]S4、在S3形成的微脉管中分别注入修复剂和/或固化剂，封堵微脉管两端孔洞，制得Vitrimer环氧树脂与PLA微脉管双重自修复纤维增强树脂基复合材料。
[0016]优选地，S1中，所述PLA纤维的直径为100～1000μm，PLA纤维按单根或两根为一组的方式均匀平行排布，相邻两组的间距为2～10mm，且两根为一组时，每组内PLA纤维间距为1～2mm。
[0017]优选地，S1中，所述环氧化合物为缩水甘油醋、缩水甘油酯、缩水甘油醚和缩水甘油胺中的一种或几种；所述金属化合物为含有锌、镁、钙、钴、锡、钛或锆的金属盐，且金属化合物与环氧化合物中的环氧基团摩尔比为0.01～0.1:1。
[0018]优选地，S1中，所述酸酐为戊二酸酐、邻苯二甲酸酐、1,2,3,6
‑
四氢
‑4‑
甲基邻苯二甲酸酐、1,2,3,6
‑
四氢
‑3‑
甲基邻苯二甲酸酐、1,2,3,6
‑
四氢邻苯二甲酸酐和六氢
‑4‑
甲基邻苯二甲酸酐中的一种或几种，且环氧化合物中的环氧基团与酸酐基团摩尔比为1:1。
[0019]优选地，S1中，所述多元羧酸为草酸、癸二酸和己二酸中的一种或多种，且环氧化合物中的环氧基团与多元羧酸中的羧基的摩尔比为1:2。
[0020]优选地，S2中，Vitrimer环氧树脂液注入包含PLA的纤维预制体之前，首先在真空压力为0.095～0.1MPa条件下静置脱泡20～30min去除树脂液中的气体。
[0021]优选地，S2中，所述固化交联的条件是先在140～150℃下固化3～5h，再在160～180℃下固化2～10h。
[0022]优选地，S4中，所述修复剂为含有缩水甘油基的环氧树脂，例如缩水甘油醋、缩水甘油酯、缩水甘油醚、缩水甘油胺和缩水甘油基异氰脉酸醋；所述固化剂为乙二胺、己二胺、多乙烯多胺、间苯二胺、4,4
’
二胺基二苯基甲烷、聚酰胺、聚醚胺和酚醛胺中的一种或几种。
[0023]优选地，S1中，所述纤维布为碳纤维布、玻璃纤维布、植物纤维布或芳纶纤维布。
[0024]本专利技术的第二个目的是提供由上述制备方法制得的双重自修复纤维增强树脂基复合材料。
[0025]本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
[0026](1)本专利技术将Vitrimer自修复树脂与PLA微脉管同时应用到纤维增强复合材料制备工艺中，使复合材料具有优良的力学性能的同时增加了自修复性能，相比单一Vitrimer自修复或PLA微脉管自修复，本专利技术提出的双重自修复体系可以达到更高效率的修复；
[0027](2)本专利技术在纤维未发生损伤而基体发生裂纹乃至分层损伤等情况下，能够修复树脂基体中的微裂纹、孔隙等难以察觉的缺陷，满足继续服役的性能要求，且可以根据实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双重自修复纤维增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、包含PLA的纤维预制体的制备将PLA纤维均匀平行排布于纤维布层间，且保持PLA平直状态，制备包含PLA的纤维预制体；Vitrimer环氧树脂液的制备以环氧化合物和酸酐或多元羧酸为原料，金属化合物为固化交联反应的催化剂，分别加热熔化并冷却至60～90℃后，混合搅拌均匀，得到Vitrimer环氧树脂液；S2、包含PLA的纤维增强复合材料层合板的制备通过VARI或RTM工艺，在0.1～0.5MPa压力下，将S1制得的Vitrimer环氧树脂液注入S1制得的包含PLA的纤维预制体中，固化交联，制得包含PLA的纤维增强复合材料层合板；S3、微脉管的形成将S2制得的层合板在真空条件下，且于180～200℃中保温至PLA纤维降解，在复合材料层合板中形成微脉管；S4、在S3形成的微脉管中分别注入修复剂和/或固化剂，封堵微脉管两端孔洞，制得Vitrimer环氧树脂与PLA微脉管双重自修复纤维增强树脂基复合材料。2.根据权利要求1所述的双重自修复纤维增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述PLA纤维的直径为100～1000μm，PLA纤维按单根或两根为一组的方式均匀平行排布，相邻两组的间距为2～10mm，且两根为一组时，每组内PLA纤维间距为1～2mm。3.根据权利要求1所述的双重自修复纤维增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述环氧化合物为缩水甘油醋、缩水甘油酯、缩水甘油醚和缩水甘油胺中的一种或几种；所述金属化合物为含有锌、镁、钙、钴、锡、钛或锆的金属盐，且金属化合物与环氧化合物中的环氧基团的摩尔比为0.01～0.1:1。4.根据权利要求3所述的双重自修复纤维增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述酸酐为戊二...

【专利技术属性】
技术研发人员：王仲奇，赵阳，蒋鹏，常正平，石晨洋，周旭，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：