同济大学刘玲教授丨碳纤维环氧复合材料分层裂纹的自修复研究

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碳纤维复合材料的损伤问题

虽然碳纤维复合材料有众多优点，但是由于其自身的特性，在服役过程中受到低速冲击和外部环境因素剧烈变化时不可避免地会产生损伤，其中基体裂纹是一种主要的损伤形式。基体裂纹的产生往往是复合材料机械力学性能降低的开端，将导致其刚度和强度等机械力学性能下降进而制约其使用的可靠性。基体裂纹扩展导致复合材料层间受到正应力及剪应力的作用，当应力突破层间承载极限便造成层间分层，乃至复合材料各层之间裂纹连通从而发展成宏观裂纹，影响构件的结构稳定性。

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碳纤维复合材料修复技术

碳纤维钓鱼竿的修补

图片来源：Easy Composites

传统碳纤维复合材料修复技术是指用高性能的碳纤维复合材料修补缺陷或损伤的结构，实现降低裂纹的扩展速率、制止裂纹的扩展、降低结构损伤部位的应力水平的效果，在一定程度上提高临界裂纹长度，使损伤构件的功能和承载能力得以最大限度的恢复，达到延长结构使用寿命的目的。传统的修复方法包括焊接修复、修补修复、新添树脂原位固化修复等。这些修复方法可以对材料表面的裂纹进行修复，对材料的性能维护起到一定的积极作用。但对于复合材料内部的裂纹，由于其难以被发现，采用传统的修复技术已经不能满足修复要求。而且传统的修复技术往往成本高、技术难度大、耗时久。因此必须开发更高效的修复方法，而自修复正是一种新的具有巨大潜力的复合材料修复技术。

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自修复技术的应用

裂纹的早期修复，特别是自修复是一个现实而重要的问题。自修复复合材料模仿生物体的自愈机制，可以在使用过程中对自身内部的裂纹进行诊断，并通过不同机理实现自动修复，从而达到有效延长材料使用寿命，消除材料安全隐患的效果。自修复材料按照是否添加修复剂可分为外援型自修复和本征型自修复两大类。外援型自修复通过在材料内部分散或复合一些功能性物质，当材料的结构受到损坏时，功能性物质会迅速流出，填充在损伤部位，实现快速修复，这些功能性物质主要封装在微囊或微脉管结构里；本征型自修复主要通过自身体系化学键的断裂和重组实现材料的自修复，该过程可通过加热等方式向体系提供能量，使其发生结晶、在表面形成膜或产生化学键交联等作用来实现修复。

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碳纤维环氧复合材料分层裂纹的自修复研究

分层会改变复合材料结构的完整性并降低其刚度和长期力学性能，若能在分层萌生时就及时修复，必将提高结构服役的安全性。

刘玲教授针对碳纤维/环氧复合材料的分层裂纹，引入具有原位电热修复功能的自修复网络薄膜，研究了分层萌生载荷-分层损伤修复率的最优关系。通过实验和理论研究，发展了一种全新自修复机制的CFRP，显著提升其使用寿命、充分发挥其减重效益和减轻CFRP大量报废对环境的影响。

为了更好的了解碳纤维环氧复合材料分层裂纹的自修复研究，2021年11月18-20日在上海举行的“Carbontech碳纤维及碳/碳复合材料论坛” 特邀同济大学刘玲教授莅临本次大会，分享《碳纤维环氧复合材料分层裂纹的自修复研究》主题报告。

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专家介绍

刘玲：同济大学航空航天与力学学院教授，主要从事树脂基复合材料损伤监测与自修复、复合材料及结构超低温力学行为以及纳米复合材料等领域的研究工作，解决了复合材料分层损伤在线监测和损伤自修复一体化关键问题。主持国家自然科学基金项目4项，参与国家973和上海市重点项目若干项。在国际权威期刊发表学术论文50余篇，被SCI他引1000多次。

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