摘　要：熱固性復合材料制品的修補與替代方案基礎是操作安全。為了達到這一目的，常采用復雜修補方案，需要大量的人工，這種方案適于非常嚴重的破壞；對于小的破壞，不值得進行破壞修補，但是這種小破壞也影響結構性能。因此，一些學者驗證了復合材料的自愈合技術。這篇文章討論了一種新的自修復技術，采用固態含修復功能的熱固性樹脂，愈合后結構強度恢復到原來的50％～70％。采用這種熱固性樹脂制備的E玻璃纖維復合材料分層面積下降，樹脂裂紋愈合。
關鍵詞：自愈合；破壞剛度；新材料

1　介　紹

　　熱固性復合材料修補技術，以復合材料部件的經濟應用為基礎，為了校正問題需要大量的干涉裝置。例如在Hexcel的復合材料修補手冊中規定：結構修補要么用與原來復合材料等厚度的復合材料片覆蓋破壞區域，要么清除破壞區域及周邊材料，然后填充新材料。修補技術的復雜性取決于破壞的嚴重性，對于修補大面積的分層，在中心位置鉆孔及周邊灌注液體樹脂進行修補。額外增加平板，影響復合材料表面的平整度；然而，清除材料或鉆孔意味著增加大量的人工，這對于修補小破壞是不合適的。用這些方法很難恢復材料的初始性能。
　　針對小破壞的自我修復技術，明顯降低了人工，這種技術已經調研了近十年。已公布的這種方法可分為兩類：液體傳送方法和依賴于改性樹脂方法。公布的大部分技術是液體樹脂傳送方法，采用毛細管或球狀膠囊作為貯存樹脂的容器。這些技術的工作原理相似，當材料破壞時，液體樹脂從容器中流出來，然后，樹脂要么與相鄰容器中的固化劑反應，要么與分布在整個樹脂體系中的固體催化劑反應。采用這種方法，液體樹脂作用是將結構表面重新粘接，從而愈合樹脂裂紋和恢復樹脂傳遞載荷的能力。這種方法不需要人工進行初始處理。
　　這些技術的局限性在于必須依賴于液體樹脂傳送，液體樹脂容器必須與復合材料結合起來，必須與基體同時成型，采用空心纖維或微膠囊。然而，必須確保在成型過程中，容器不被破壞。如果這種方法是成功的，樹脂容器設計是非常明顯的限制條件。盡管批量化生產過程中，纖維的存在還需驗證，但是將樹脂填充在空心纖維中的方案相對容易設計。實際生產中，纖維的灌注與密封也是很困難的。
　　薄壁微膠囊加入到復合材料中也存在問題，微膠囊的尺寸很難實現在不變形的情況下浸透纖維。因此，愈合作用的基礎  液體樹脂傳送到破壞區域，在實際中，這種微膠囊技術似乎很難實現?？招睦w維和微膠囊技術另一個潛在的困難是盡管重復愈合是可能的，因為次愈合后，樹脂繼續存在，但是，不可能知道樹脂什么時候耗盡。因此，在將這種技術廣泛應用于先進樹脂基復合材料之前，必須進一步研究。然而，空心纖維和微膠囊技術已經給出了客觀的、定量的破壞復合材料的愈合。
　　第二類愈合技術是采用改進的熱固性樹脂體系，這種樹脂體系中含有一個弱的化學鍵，化學鍵先斷裂、重組。因此，盡管一整塊熱固性材料破壞后樹脂被加熱修復，但潛在的問題是修復后的整體強度。
　　然而，這種方法需要采用一種全新的材料和成型工藝，經過廣泛的驗證研究后才能推廣，這需要相當長一段時間。還沒有證據證明這種材料有足夠的機械性能以代替原來的材料在復合材料中應用，也沒有這種樹脂在復合材料中應用的相關報道。
　　因為上述原因，以傳統的熱固性樹脂技術為基礎的固態愈合技術已經被開發。這種方法是將熱固性樹脂加入到溶解的熱塑性樹脂中，固化時，在熱固性樹脂體系中熱塑性樹脂仍被溶解，與傳統的熱塑性樹脂相比，韌性更好。這種技術假設破壞的樹脂體系固化時，熱塑性材料能夠流動、分布在熱固性樹脂中，部分分子鏈閉環，實施了裂紋愈合。

2　實　驗

2.1　愈合樹脂
　　這種愈合樹脂體系用熱固性樹脂生產，成分包括：HuntsmanAralditeLY 1556和GY298環氧樹脂，固化劑采用NMA和科寧化學藥品公司的Capcure3800，一種硫醇端基固化劑體系，在這個配方中起催化酸酐作用。比例如表1所示。樹脂一旦混合，在80℃固化4 h，然后在130℃固化3 h。

　　在這種混合物中加入的熱塑性材料需與主要成份LY556有很好的相容性(LY556是縮水甘油雙酚A類樹脂)。選擇的熱塑性樹脂是多聚物(雙酚A環氧氯丙烷)  (SigmaAldrich18，1196)。將熱塑性樹脂按重量比5％、10％、20％三個比例加入到樹脂中。20％比例的樹脂已作為純樹脂進行了廣泛研究。5％比例的也試驗過，但很少作為純樹脂，為確定是否愈合仍需要采集數據。10％比例的混合物被用作復合材料樣件的樹脂基體，因為早期的研究結果表明，這種混合物具有愈合功能，且具有可接受的低粘度。這種熱塑性樹脂的混合采用頂部加熱的攪拌器，將樹脂加熱到80℃，恒溫直到樹脂均勻(至少需24 h)。觀察這種材料在固化前后與樹脂體系的相容性，因為在整個工藝過程中一直存在于液體樹脂中。
2.2　樹脂試驗
　　采用壓縮張力試驗驗證樹脂愈合性能，依據BS13586：2000制備試樣，試樣尺寸如圖1所示。
　　愈合樹脂體系試樣進行試驗，與其同時進行的參考試樣包括僅含樹脂混合物的試樣。參考體系與愈合樹脂進行同樣的試驗以確定添加熱塑性材料對愈合樹脂的愈合性能是否有影響。

　　試驗結束后，試樣完全破壞，將破壞試樣的兩部分立即復位，加熱前用夾子固定，在一定的溫度范圍內加熱，估測愈合性能。在本研究中，未測量絕對夾緊力作用的結果，這可以考慮結果的變化，在將來的研究中將增加這項內容。試樣被重新進行試驗，以檢查愈合效果。在整個研究中，試驗被重復愈合、試驗，也進行了重復愈合的評估工作。
2.3　復合材料試驗
　　玻璃纖維復合材料采用E玻璃纖維做為增強材料，基體樹脂為含10％熱塑性愈合劑樹脂體系，采用真空輔助浸漬工藝制備。含10％熱塑性愈合劑的樹脂體系，兼顧了樹脂的自愈合效果和粘度。先，用連續纖維纏繞制備均勻的纖維板，將連續纖維纏繞在平框架上制備雙層板；然后，將框架旋轉90°，纏繞第二層，制備了纖維[0，902，0]正交結構鋪層板。表面氈稱重，并稱等重量的樹脂，采取滾壓方式浸透纖維。抽真空、袋壓固化，80℃保溫4 h，然后升溫到130℃保溫3 h，升溫速度控制在2℃／min
以內。自然降溫至室溫后出爐。
　　采用Davenport、10 mm半球形撞錘沖擊設備直接沖擊復合材料，沖擊強度為27J。用光傳輸及照相機對分層區域進行拍照，試樣中安裝了可視探測器。用這種方法，所有的圖像均可進行同樣的放大。然后將復合材料進行自愈合處理，130℃處理1 h，重新拍攝破壞區域照片，進行比較。

3　結果及討論

3.1　樹脂試驗
　　對基體樹脂和添加了20％愈合劑的改性樹脂體系進行壓縮應力試驗，結果如圖2所示，愈合溫度為100～140℃，與參考材料的數據比較。圖中數據來自每種類型的三種試樣，每個試樣進行3次試驗，每個愈合溫度得到9個試驗結果。

　　可以看出，隨著愈合溫度升高，愈合樹脂體系在失效載荷下的修復程度提高，強度范圍在初始強度的40％～66％。相比之下，從未改進的基體樹脂中恢復的小于初始強度10％的忽略不計。
　　愈合樹脂也顯示出破壞延展性的恢復性，樹脂再次表現出了臨界效應。在這種情況下，破壞的延展恢復性比原來提高15％，認為是由于熱固性樹脂和熱塑性樹脂之間不同的模量導致的。
　　根據BS13586：2000計算GlC和KlC，結果如圖3所示。可以看出，基本趨勢與圖2(a)的載荷趨勢一致。未改性樹脂的恢復性能忽略不計，改性樹脂的GlC恢復到初始值的77％，KlC恢復到初始值的64％。

　　因此，依據愈合周期愈合樹脂體系比預破壞的機械性能有明顯恢復，這個結果也被重復試驗，整個研究過程中每一個愈合溫度下的試樣作為討論對象。因此，每個試樣至少被試驗10次，有些甚至達到20次，還沒有試驗次數過多性能下降的相關證據。
3.2　愈合劑比例的影響
　　愈合效率是本研究的目標，是載荷達到失效，愈合劑被達到失效的初始載荷分布后表現出的恢復比例。采用含5％愈合劑的試樣驗證低比例愈合劑試樣的愈合效率。試驗結果如圖4所示。從圖中可以看出，含有20％愈合劑的試樣，在130℃處理1h后，性能恢復到初始值的75％，含有5％愈合劑的試樣恢復到初始值的37.5％。
　　很明顯，試樣中愈合劑的比例下降，愈合效率降低。然而，愈合劑比例降到5％時，愈合效率仍是明顯的，定性地觀察看，愈合劑比例下降樹脂粘度也明顯下降?；诖?，采用10％的樹脂混合物制備復合材料試樣進行研究，期望取得顯著的愈合能力，樹脂體系的粘度比20％的更適用。
3.3　璧合材料試驗
　　制備玻璃纖維復合材料，用玻璃纖維透光特性來評價破壞，而不采用X射線或超聲波探傷的測試方法。制備的復合材料板切成10 X 10 cm的小方板進行沖擊試驗，沖擊能為27 J。拍攝破壞照片，典型的破壞如圖5(a)所示。然后，將試樣無約束地置于130℃的爐子中處理1 h，結果如圖5(b)所示。

　　計算機圖像掃描分析被用來測量愈合區域的變化，自動測量尺寸。因此，從邊界效應確定的試驗面積不能代表真實的破壞面積。這也顯示了平均的可視破壞面積降低超過30％。然而，存在非常小的微裂紋，它不能引起光學反應，但存在于可視破壞區域的邊緣。很顯然，這些在影像分析時會被破壞，但也很難通過任何其它無破壞分析方法來檢測。在初始的照片中，可以很清楚地看到樹脂的破壞，但在愈合后的照片中看不到破壞。

　　在這次的復合材料試驗中進行了二次愈合，但是，因時間關系，沒有采集愈合后機械性能的結果。

4　結　論

　　證明了一種新樹脂體系使得破壞愈合后性能恢復到初始性能的70％，這種樹脂以傳統的環氧熱固性樹脂為主要原料，復合材料采用的成型工藝也是傳統的成型方法。
　　初步的結果是從含20％(重量比)愈合劑的樹脂體系中測得的，接下來將進行含5％愈合劑的樹脂體系復合材料試樣的制備。然而，這種比例的樹脂體系的恢復水平只能達到初始值的40％。
　　用這種比例的樹脂體系制備的復合材料，愈合后沖擊破壞面積減少到原來的30％，樹脂裂紋消除。