具有高耗能模量的自愈合复合材料的多尺度结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高耗能模量的自愈合复合材料的多尺度结构设计方法，将环氧树脂与戊二酸酐进行交联固化后，在乙酰丙酮锌的催化作用下发生交换酯交换反应得到自愈合树脂，使其可交换网络的大分子间出现互补、互锁等相互作用，形成分子间热力学平衡态；将纳米颗粒用作填料掺杂到自愈合树脂基中以改善刚度和阻尼性能，作为结构阻尼相材料；以铸铁为结构相材料，通过厚度按幂律函数规律渐变的结构相，将弯曲波的能量聚集在厚度最小处，产生动态变形，该变形压入结构阻尼相，使结构阻尼相材料发生弛豫，产生非弹性变形，耗散机械能，完成不可逆的能量耗散，以铸铁为材料的结构相保证了材料的刚度性能；实现材料保证高刚度基础上提高阻尼性能。上提高阻尼性能。上提高阻尼性能。

【技术实现步骤摘要】
具有高耗能模量的自愈合复合材料的多尺度结构设计方法


[0001]本专利技术属于复合材料领域，更具体地，涉及一种具有高耗能模量的自愈合复合材料的多尺度结构设计方法。

技术介绍

[0002]机械振动是航空航天、汽车等领域普遍存在的问题，振动产生的能量需要通过材料进行耗散。因此对于大多数结构材料而言，兼具高刚度和高阻尼是至关重要的。材料的刚度指的是指结构在受力时抵抗弹性变形的能力，而材料的阻尼指的是通过非弹性变形将机械能转化为热能或其他能量。然而，刚度和阻尼通常是两种互斥性能，即刚度好的材料通常在阻尼性能方面较差(如金属)，损耗因子高的材料却往往在刚度方面偏弱(如橡胶)。结构阻尼复合材料是以达到兼具高刚度和高阻尼性能为目标，实现其结构功能与阻尼性能之间的平衡。
[0003]为了表征结构阻尼复合材料刚度和阻尼的综合性能，采用弹性模量E(动态时采用储能模量E
’
)与损耗因子tanδ(或η)的乘积(E
×
η，亦称作为耗能模量)作为优值来表征结构阻尼复合材料的刚度与阻尼的综合性能，传统工程材料和生物材料的耗能模量极限值约为600MPa。
[0004]复合材料阻尼的实质是通过两种或多种组分按照一定结构排列方式相互补充、相互作用又相互制约涌现出来的，可见，其阻尼现象本质上是组分结构之间的相互效应，即结构迟滞效应。这是因为微观层面的基本粒子之间的相互作用力为保守力(可逆)，但是由大量基本粒子通过多尺度、多层级子结构方法构筑的材料，其内部存在黏附、滑动和压入效应，以至于非弹性变形能够耗散机械能(不可逆)，从而将微观保守系统转变为阻尼非保守系统。值得注意的是，机械能的耗散必然伴有储能模量(动刚度)的变化，因此，结构迟滞效应亦可看作刚度与阻尼的综合现象。
[0005]为了减少工程中传统工程材料和生物材料的不利振动，常常以牺牲材料的刚度性能提高材料的阻尼性能。目前仍缺乏合理的设计方法来解决材料的刚度与阻尼之间的冲突。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种具有高耗能模量的自愈合复合材料的多尺度结构设计方法，为了获得高耗能模量的结构，从多个尺度设计解决结构阻尼复合材料的阻尼和刚度性能不能兼顾的问题。为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种具有高耗能模量的自愈合复合材料的多尺度结构设计方法，包括：
[0007]S1，将环氧树脂与多壁碳纳米管混合后进行搅拌，再加入乙酰丙酮锌，在加热条件下进行搅拌，直至乙酰丙酮锌粉完全溶解；
[0008]S2，将S1得到的混合溶液进行冷却后，加入戊二酸酐后进行搅拌，得到结构阻尼相溶液；
[0009]S3，将所述结构阻尼相溶液注塑至模具中，进行升温固化后进行脱模得到结构阻尼相试件；
[0010]S4，将所述结构阻尼相试件粘贴至结构相的凹槽中，得到自愈合复合材料单胞；
[0011]其中，所述模具的形状与所述结构相试件的形状相同，所述结构相试件的材料为铸铁，所述凹槽的曲面按幂律函数规律渐变；所述结构相试件和结构阻尼相试件均关于自愈合复合材料单胞的中心面对称；所述中心面为经过所述自愈合复合材料中心点的横截面。
[0012]优选地，S1中，将环氧树脂与多壁碳纳米管混合后在机械搅拌器下搅拌3h，转速1500～2000r/min。
[0013]优选地，S1中，加入乙酰丙酮锌后，以700r/min速度进行磁搅拌，边搅拌边加热至150℃，直至乙酰丙酮锌粉完全溶解。
[0014]优选地，S2中，将S1得到的混合溶液冷却至50℃，加入戊二酸酐，以700r/min速度电磁搅拌至形成均一体系，得到结构阻尼相溶液。
[0015]优选地，S3中，所述升温固化过程为：100℃2h—130℃/2h—160℃/1h。
[0016]优选地，S3中，进行升温固化之前，还包括：进行抽真空处理。
[0017]优选地，S3中，将所述结构阻尼相溶液注塑至模具之前，还包括：在所述模具表面涂一层脱模剂，然后再将模具放在真空恒温箱中，50℃下加热30min。
[0018]按照本专利技术的第二方面，提供了一种具有高耗能模量的自愈合复合材料，所述自愈合复合材料采用如第一方面所述的方法制备得到。
[0019]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0020]本专利技术提供的具有高耗能模量的自愈合复合材料结构的多尺度设计方法，实现材料保证高刚度基础上提高阻尼性能，多尺度设计机制如图1所示：
[0021]在微观尺度上，通过加入固化剂的方式，有效地将离散的分子团聚合到一起，使得聚合物网络的交联密度提高，此外，需要有足够的催化剂，来催化酯交换反应，引入自愈合功能。对于自愈合材料，较弱动态可逆共价键的引入使聚合物在受拉伸外力时优先断裂，并自动修复形成新的链，聚合物链的再连结也是一个消耗能量的过程。本专利技术中将环氧树脂与戊二酸酐进行交联固化，然后在乙酰丙酮锌的催化作用下发生交换酯交换反应，得到自愈合树脂，使得该自愈合树脂可交换网络的大分子间出现互补、互锁等相互作用，形成分子间热力学平衡态。因此当施加机械能时，纳观尺度上悬浮链将产生滑移、纠缠、扩散等现象，从而增大分子链之间的粘滞阻尼。
[0022]在介观尺度上，纳米颗粒能有效抑制微裂纹的产生和扩展，同时通过化学键或物理吸附在高分子链上，使颗粒与高分子网络互相延伸、交联混杂，消除了两者间的界面能差，从而达到了增刚增韧的目的，因此将纳米颗粒用作填料掺杂到自愈合树脂基中，改善自愈合材料的刚度和阻尼性能。本专利技术中以可愈合树脂(EP)为基体相，以多壁碳纳米管(MWCNTs)为增强相。通过在基体相中掺杂增强相的方法制备结构阻尼相材料(MWCNTs/EP)，虽然两相界面间存在内作用力，但通过相互补充、相互作用和相互兼容可达到平衡态，此时产生的应变为弹性应变。但当存在外作用力时，系统处于非平衡态，材料将产生附加的非弹性应变，且由于碳纳米管和自愈合树脂具有不同的弹性模量，因此在界面处会发生应力跳
变现象，材料将产生弛豫的“驱动力”，使得界面间存在黏附、滑动和压入效应，从而提供足够的界面阻尼增大耗散，且保证材料的刚度性能，以此完成材料在介观尺度上的复合特征结构设计。
[0023]在细观尺度上，根据弯曲波的波动方程可知，振动中弯曲波随着结构厚度的减小，波速降低，波长减小，波的振幅增大，当结构厚度减少为零时，波速为零，此时波无法继续传播，即实现波的零反射，能量将聚集在厚度最小处，从而结构产生动态变形，此变形为结构阻尼相提供弛豫的“驱动力”，利用结构阻尼相材料实现能量耗散。本专利技术中，以铸铁(Iron)为结构相材料，通过厚度按幂律函数规律渐变的结构相，将弯曲波的能量聚集在厚度最小处，产生动态变形，该变形压入结构阻尼相，为其提供弛豫的“驱动力”，将微观保守系统变为阻尼非保守系统，使结构阻尼相材料发生弛豫，产生非弹性变形，耗散机械能，从而完成不可逆的能量耗散，且以铸铁为材料的结构相也保证了材料的刚度性能。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高耗能模量的自愈合复合材料的多尺度结构设计方法，其特征在于，包括：S1，将环氧树脂与多壁碳纳米管混合后进行搅拌，再加入乙酰丙酮锌，在加热条件下进行搅拌，直至乙酰丙酮锌粉完全溶解；S2，将S1得到的混合溶液进行冷却后，加入戊二酸酐后进行搅拌，得到结构阻尼相溶液；S3，将所述结构阻尼相溶液注塑至模具中，进行升温固化后进行脱模得到结构阻尼相试件；S4，将所述结构阻尼相试件粘贴至结构相试件的凹槽中，得到自愈合复合材料单胞；其中，所述模具的形状与所述结构相的形状相同，所述结构相试件的材料为铸铁，所述凹槽的曲面按幂律函数规律渐变；所述结构相试件和结构阻尼相试件均关于自愈合复合材料单胞的中心面对称；所述中心面为经过所述自愈合复合材料中心点的横截面。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中，将环氧树脂与多壁碳纳米管混合后在机械搅拌器下搅拌3h，转速1500～2000r/min。3.如权利要求1或2所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立，李硕，徐晨昊，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：