（制冷及低温工程专业论文）材料损伤自修复过程原理实验与流动特性研究.pdf

硕士论文材料损伤自修复过程原理实验与流动特性研究 摘要 材料( 如高分子材料、混凝土等) 在使用过程中，表面和内部会出现各类损伤， 这些损伤有时很难人工修复或修复代价过高，从而缩短了材料的使用寿命。为了提高 材料可靠性，延长使用寿命，一种方法是采用自修复技术，即在材料出现损伤( 如微 裂隙) 后可以自动实现修复过程，不需要人工干预或仅需要很少的人工干预。 本文首先分析了一种新型压力驱动型材料自修复过程工作原理，建立了模拟裂隙 生成及修复剂充注实验装置，进行了多种条件下的实验测试，实验结果表明：修复剂 可以顺利注入裂隙并保持在裂隙表面上，压力驱动型材料自修复过程在原理上是可行 的。 其次，采用分析和数值模拟方法研究了非牛顿幂率流体在网状修复剂流道中的流 阻特性。结果表明：当流体在网状流道中由中心( 粗粗通道交点) 向周边稳定流动时， 双尺度流道阻力小于均匀尺度流道，并且对于剪切稠化流体双尺度流道的优势更明显； 当流体在网状流道中非稳定排放充注流动时，如排放点为粗粗通道交点，双尺度流 道优于均匀尺度流道；如排放点为考h 细通道交点，双尺度流道优于均匀尺度流道；如 排放点为细细通道交点，均匀尺度流道优于双尺度流道。 再次，建立了一个双尺度微流道流阻特性实验装置，实测了典型条件下的流阻， 不同压力下各对称点的流量变化趋势大体相同。 最后，采用数值模拟方法研究了非牛顿幂率流体在网状修复剂流道中的传热特性。 结果表明：耗功存在多个临界值，随着功耗的增加，双尺度流道传热的增幅要大于均 匀尺度流道。 关键词：自修复，幂率流体，双尺度，流阻，传热 1 绪论 硕士论文 a b s t r a c t i nt h eu s i n go fm a t e r i a l s ( s u c ha sp o l y m e rm a t e r i a l s ，c o n c r e t e ，e t c ) ，k i n d so fi n j u r y w h i c hi ss o m e t i m e sd i f f i c u l tt or e p a i ro rt o oc o s t l yt or e p a i rm a ya p p e a ri nt h es u r f a c ea n d i n t e r i o r , w h i c hw i l ls h o r t e nt h el i f eo ft h em a t e r i a l s s e l f - h e a l i n gt e c h n o l o g yc a l lb e u s e dt o i m p r o v em a t e r i a lr e l i a b i l i t ya n de x t e n dt h es e r v i c el i f e i tm e a n st h a tt h ee m e r g e n c e o ft h e m a t e r i a ld a m a g e ( s u c ha sm i c r o c r a c k s ) c a na u t o m a t i c a l l yr e p a i ri t s e l fw i t h o u tt h en e e df o r h u m a ni n t e r v e n t i o no ro n l yw i t hv e r yl i t t l ei n t e r v e n t i o no f h u m a n f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fp r e s s u r e - d r i v e ns e l f - r e p a i r i n gm a t e r i a lw o r k i n gp r o c e s si s a n a l y z e di nt h i sa r t i c l e e x p e r i m e n t a ld e v i c ew h i c hc a ns i m u l a t et h eg e n e r a t i o no fc r a c k s a n df i l l i n gp r o c e s so fr e p a i ra g e n ti se s t a b l i s h e d 。e x p e r i m e n t a lt e s t sw i t hd i f f e r e n tk i n d so f c o n d i t i o n sa r ec a r r i e do u t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，r e p a i r i n ga g e n tc a l lb es m o o t h l y f i l l e di n t ot h ef i s s u r e sa n dm a i n t a i n e do nt h ef r a c t u r e ds u r f a c e ；t h ep r o c e s so f p r e s s u r e - d r i v e nm a t e r i a l ss e l f - r e p a i r i n gp r o c e s s i sf e a s i b l ei np r i n c i p l e s e c o n d l y , t h ef l o wr e s i s t a n c eo fp o w e r1 a wf l u i dw h i c hf l o wi nt h en e t w o r k sh a sb e e n r e s e a r c h e dt h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t , w h e nt h e f l u i df l o w ss t e a d i l yi nt h en e t w o r k sf r o mt h ec e n t e r ( t h et h i c k t l l i c kp o i n t ) t ot h ea r o u n d ， t h er e s i s t a n c eo ft w o s c a l ef l o wi sl e s st h a nt h eu n i f o r m - s c a l ef l o w f o rs h e a rt h i c k e n i n g f l u i d s ，t h ea d v a n t a g e so ft w o s c a l ef l o wi sm o r eo b v i o u s u n s t a b l ee m i s s i o no rf i l l i n gi n n e t w o r kc h a n n e l s ，w h e nt h ed i s c h a r g ep o i n ti st h i c k - t h i c kp o i n t ，t w o s c a l ef l o wc h a n n e li s s u p e r i o rt ou n i f o r ms c a l e w h e nt h ed i s c h a r g ep o i n ti st h i c k t h i np o i n t ，t w o s c a l ef l o w c h a n n e li ss u p e r i o rt ou n i f o r ms c a l e w h e nd i s c h a r g ep o i n ti st h i n t h i np o i n t ，u n i f o r m s c a l e f l o wi ss u p e r i o rt ot w o s c a l ef l o w t h i r d t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e o fat w o s c a l em i c r o c h a n n e lf l o w r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i ci se s t a b l i s h e d f l o wr e s i s t a n c ew i t hat y p i c a lc o n d i t i o ni sm e a s u r e d t h e c h a n g i n gt r e n do ff l o wi ns y m m e t r i c a le x p o r t si sm u c ht h es a m ew i t hd i f f e r e n tp r e s s u r e f i n a l l y , t h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co fp o w e r l a wf l u i dw h i c hf l o w si nt h en e t w o r k s h a sb e e nr e s e a r c h e dw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ，p o w e rc o n s u m p t i o n h a sm a n yc r i t i c a lv a l u e s w h e nt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni sg r e a t e rt h a nt h ec r i t i c a lv a l u e ， w i t ht h ei n c r e a s eo fp o w e rc o n s u m p t i o n ，t h ei n c r e a s ei nt h eh e a tt r a n s f e ro ft w o - s c a l ef l o w i sg r e a t e rt h a nt h eu n i f o r mf l o ww i t ht h es a m ep o w e rc o n s u m p t i o n k e y w o r d s ：s e l f - h e a l i n g , p o w e r l a wf l u i d ，t w o s i z e ，f l o wr e s i s t a n c e ，h e a tt r a n s f e r l i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 渺? 年6 月“日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：至兰症堑 1 年占月为目 硕士论文材料损伤自修复过程原理实验与流动特性研究 1 绪论 1 1 课题背景 随着科技的进步，各种复合基材料也得到越来越广泛的应用，在制造加工成型以 及使用过程中，其表面和内部不可避免的会出现各类损伤和微裂隙，这些都缩短了材 料的使用寿命，这种情况若出现在重大设备上，将会带来灾难性的后果，因此消除或 抑制材料内部微裂隙扩展对保证材料的正常使用至关重要，这时就需要材料能够得到 及时的修复。在这样的情形下，各种智能材料应运而生，它模仿生物材料的功能，可 以感知和激励，是由美国军方在2 0 世纪8 0 年代中期首先提出来的，并于2 0 世纪9 0 年代开始成为各国研究的重点之一【1 - 3 1 。 其中自修复复合材料作为智能材料的一个重要分支越来越多的受到人们的关注， 如果这种自修复复合材料能够成功的运用于实际工程中，因为材料自身的缺陷或是外 在因素而导致的材料功能失效将会得到很大程度的缓解。因此加强对自修复材料的研 究，对减少灾难性后果及事故有着积极地意义。 本论文根据原有的材料修复系统，提出修复剂( 多属于非牛顿流体) 连续流动于 整个修复管道中，主要针对非牛顿流体在网状流道中的流动特性及传热进行研究，这 对自修复系统是一个扩展，为自修复系统的改进及完善提供了一定的依据。 1 2 自修复材料研究现状 智能材料自2 0 世纪9 0 年代以来已成为材料科学研究的热点，它模仿生物材料， 具有感知和激励的功能。其中在不同的文献中对其有着不完全相同的定义：一是智能 材料是指那些具有自检测、自诊断、自预警、自适应、自修复、自调节、自恢复、自 组合等特殊功能的人造材料【4 】；二是智能材料是指能模仿生命系统同时具有感知和激 励双重功能的材料【5 】；三是智能材料是指模仿生命系统、感知环境变化，并实时改变 自身一种或多种性能参数，做出所希望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材 料的复合【5 j 。总之智能材料是指能适时的对环境的变化做出反应，并能取得预期的效 果的材料。 材料的自修复是智能材料的一个分支，所谓的自修复就是材料产生了某种缺陷， 在没有外界环境参与的情况下材料自我恢复( 愈合) 的能力【3 1 。目前，自修复功能主 要通过在材料内部分散或复合一些功能性物质来实现。当材料受到损伤时，这些物质 受到作用而发生某种变化，抑制损伤的进一步发展，甚至弥合损伤，从而实现自修复。 当今材料的自修复应用比较广泛的方法有：液芯纤维法和微胶囊法。 l 绪论硕士论文 1 2 1 液芯纤维法 d r y 等【6 】在玻璃微珠填充的环氧树脂基复合材料中嵌入装有修复剂的空心纤维， 该修复剂为单组分或双组分的黏合剂。当材料出现裂隙时液芯纤维破裂，适时释放黏 合剂到裂隙处固化，愈合基体，阻止裂隙的进一步扩展。 赵小鹏等【7 】采用环氧树脂与低分子聚酰胺按1 ：0 6 配成基体，用内装填白乳胶的 玻璃细管为修复纤维，逐层浇注成形，进行三点弯曲实验，加力至出现裂隙后即刻停 止，发现由于玻璃细管的破裂，管内修复剂自动流出，经一段时间后基体裂口被粘合， 实验测得修复后环氧树脂的平均强度已可达到原有强度的8 4 。 美国i l l i n o i s 大学c a r o l y n t 8 】在研究中把大量的空心玻璃纤维埋入水泥基体中，当 水泥基材料受到损伤开裂后，事先装入裂隙修补剂的空心纤维就会随之断裂，释放出 黏结修补剂，从而实现对损伤部位的愈合和修补。 美国密歇根大学的v i c t o r 等【9 】将含有超强力胶水的纤维管预埋在一种特殊的纤维 增强混凝土材料中，制备了可应用到民用设施上的自修复混凝土实验测试了反复荷 载下试件修复前后的刚度。结果表明：8 9 的预埋了修复纤维的试件刚度都得到了恢 复，而没有修复纤维的试件刚度下降1 0 到4 0 不等。 杨红【l o 】研究了空心光纤的复合材料诊断与修复系统。空心光纤一方面利用其传感 网络既可以在正常情况下检测结构性能，又可以在结构损伤时用于检测复合材料损伤 程度及位置；同时另一方面又能作为传输胶液的通道，不仅解决了储胶量与储胶元件 体积之间的矛盾，而且可以对损伤处进行自修复。当预先埋入空心光纤和形状记忆材 料的结构中心发生损伤时，空心光纤随之发生断裂。利用光纤断裂面的光发射，可以 测量出复合材料的损伤位置，并控制注胶器将胶液注入到损伤处对其进行修复。同时， 记忆性材料s m a 开始工作，一方面使复合材料或结构能在短时间内继续工作；另一 方面，压缩损伤位置，减少损伤处的间隙，有利于胶液的固化以及提高自修复的质量。 值得指出的是，空心光纤的传感功能较以往一般的储胶容器和储胶芯光纤有较大的进 步。 杨红、梁大开【l l 。4 j 等人还对空心光纤的性能及传光机理做了详细的研究和分析， 并介绍了利用空心光纤测量复合材料断裂位置的原理及方法。他们通过与常用的修复 剂e 4 4 双组分环氧树脂进行比较说明，改性氰基丙烯酸乙酯胶粘剂在复合材料的修复 试验中的修复性能更好。梁大开等继而又进一步研究了空心光纤埋入碳纤维复合材料 结构成型后，其光学性能的变化、光纤的埋置工艺及其对基体一碳纤维复合材料结构 的影响。而同时m o t u k u 1 5 还研究了可能代替中空纤维的管状材质，同样被用来储存 修复剂，并分析了其数量、空间分布等与自修复效率的关系。 2 顿论文材料损伤自修复过程原m 实验与流动特性研究 1 2 2 微胶囊法 聚合物的裂隙通常产生在基体的深处，造成微观损伤很难被发现。微观破坏在很 大程度上影响材料的性能，从而会导致材科某一部分物理性能( 诸如热、电等物理性 能) 的改变。如果这些损伤部位不能够及时修复，不仅会缩短材料的寿命，而且还会 由此引发的宏观断裂。 材料外部损伤易于发现与修复，多数情况下通过人工修复即可达到恢复或维持复 合材料使用性能的目的，而对于材料结构深处微裂隙损伤不但难于发现，而且会导致 修复更难以实现。理想的修复方法应是在力求恢复材料性能的基础上，具有相对容易、 成本低廉、不依靠外界操作、可再生等优势【l 。 自修复概念的提出为聚合物基复合材料微裂隙的粘结修复提供了一种新型、有效 的途径。将单体修复剂被包覆于微腔囊中并均匀地分散于聚合物基体中，当基体材料 在外界作用下产生裂隙时，处于裂隙前沿的微胶囊受力破裂，其内部的粘接剂在毛细 作用下流出并渗入到裂隙中，与固化剂混合，发生固化反应把裂隙面粘结起来，阻止 裂隙的进一步扩展，从而实现材料性能的恢复。聚合物基复合材料的自修复机理，如 图1 1 所示“”。 耋铲0；j | i _ 。 浦 j 屋譬盆，矗 ，罗 圈i l 自修复机理幽 图li 中，( a ) 表示埋植含有修复剂的微胶囊与催化剂的数值基体在损伤时产生裂 隙；( b ) 为由于毛细作用，微胶囊破裂释放出的修复剂渗入到裂隙中；( c ) 为复剂与分 散于基体中的催化剂接触发生聚合反应，将裂隙粘结修复。 l 绪论 硕士论文 w h i t e 掣1 7 】将环戊二烯二聚体( d c p d ) 包裹在脲醛树脂制成的微胶囊里，与 g r u b b s 催化剂一起分散在二亚乙基三胺固化的环氧树脂低聚物中，当材料产生裂隙 时；微胶囊破裂，环戊二烯二聚体由于裂缝产生的毛细管虹吸作用迅速渗入裂隙，接 触到g r u b b s 催化剂而发生活性开环聚合反应( r o m p ) ，迅速生成高度交联的聚合物 网络，可达到修复的目的。实验测试表明这种材料能恢复7 5 的韧性。在这样一种体 系中必须满足的隐含条件有：裂隙被引发后能发展到微胶囊表面，并有足够的能量 使微胶囊发生破裂；催化剂在基体中的分散不影响催化剂的活性和稳定性；催化 剂在基体中足够多，无论在什么地方出现了微裂隙，修复单体都能被引流至催化剂周 边；催化剂有足够的活性能引发修复单体的聚合，并且这种聚合反应活性点能传递 到整个裂隙区域；微胶囊与催化剂的加入不能造成复合材料性能的明显下降；这 种修复过程进行后，对复合材料的性能有一定程度的恢复。 这个体系将埋植技术、微胶囊技术、烯烃聚合、高分子多组分体系等有机地结合 在一起，达到材料深层自修复的目的，其优点在于所用的是低黏度、低挥发性和室温 下即可快速反应单体，体系具有寿命长、在聚合过程中收缩率低，修复后的聚合物基 仍有活性，重新注入单体会继续聚合，适时添加单体即能对再产生的裂隙进行多次修 复等特点，并且该方法有望用于其他脆性材料。但仍然有一些实际限制，如裂隙愈合 动力学、环境条件下催化剂的稳定性、材料多次自修复的能力。这一领域的自愈合研 究还处于初级阶段，我们期望它能在现有技术的基础上，发展成为体系能连续地向损 坏处传输必要的化学药品和结构材料，以达到真正的生物自愈水平。 b r o w n 等【1 8 , 1 9 】也研究了上述自修复复合材料，通过对材料的疲劳性能及修复效 率研究，结果表明，微胶囊的混入提高了基体材料的断裂性能，加人量为1 5 ( 占基 体重量百分比) 时，将提高基体的原始断裂韧性，有效降低疲劳裂隙的扩展，延长基 体材料的疲劳寿命。当固化剂颗粒直径为1 8 0 - - 一3 5 5 1 t m 时，对裂隙的修复效率最高。 通过优化微胶囊和固化剂的浓度，修复效率可达9 0 以上，但该体系并不是完美的无 缺的。b r o w n 等【2 0 】在后续工作中还研究了微胶囊的断裂力学，证明微胶囊的加入对基 体材料实现了增韧。 方征平等【2 l j 指出上述体系有以下不足：催化剂分散在基体中，微胶囊破裂后， 要保证单体接触到催化剂，则基体中必须到处都有较大浓度的催化剂，催化剂的利用 效率会很低。烯烃聚合后与基体不存在化学键合，界面粘结力弱，修复后强度较低。 g r u b b s 催化剂埋植于基体中，催化活性会在一定程度上下降。为了解决这些问题， 他们提出一种新的自修复体系( 见图1 2 ) 。 将同时含有乙烯基硅和硅氢键的有机硅单体，包在微胶囊里，分散在玻璃纤维增 强的聚合物基复合材料里，玻璃纤维的表面进行过修饰而带有乙烯基硅和k a r s t e d t 催化剂。当材料受到外力作用产生裂隙时，胶囊破裂，胶囊里的化合物流向基质，并 4 预论文 材料损伤自修复过程甄理实验与流动特性研究 随裂隙的发展流向玻璃纤维表面，碰到玻璃纤维表面的k a r s t e d t 催化剂时，有机硅单 体发生硅氢化交联反应，产生交联网络而填充裂隙，并键合在玻璃纤维的表面，以修 补裂隙，恢复材料原有的机械性能。 ”81 富“芍 o ”om 嘲 _ n 礤a o o 当f k m 鱼m l o _ t h e 。t r k 。 o o s i t a m i eu 4 o 图12 新的自修复体系 这一体系有三个显著的特点：k a r s t e d t 催化剂有良好的稳定性能，对环境不敏 感，而且无色透明，能应用在无色透明或浅色的高分子体系中；催化剂修饰在玻璃 纤维表面而不是在基体中，裂隙的发展必然是要到达玻璃纤维表面的，所以催化剂的 使用效率将大大提高；聚合物基复合材料的界面是材料的薄弱环节，将k a r s t e d t 催化剂修饰在玻璃纤维的表面，有机硅的交联聚合反应在此表面发生，将使自修复的 效果更明显。 k e s s l e r 等嘲利用p m u 包覆d c p d 制备的微胶囊初步研究了e - 玻纤环氧树脂复 合材料的自修复情况。研究表明，材料裂隙修复效率可达6 7 ( 向复合材料剥离层人 工注入已催化的修复单体测得) 。但在实验过程中也出现了修复效率较低的情况，仅 达到1 9 ( 将催化剂预先埋植于复合材料中制备一种自活化材料，固化一定时间后再 向剥离层人工注入纯修复剂单体测得) ，原因可能是在自活化材料中修复剂单体必须 直接与催化剂接触才能引发聚合反应，故其聚合速率比直接将修复剂及催化剂混合注 入剥离层的要慢，因此大量的催化剂分散在基体中并不能使裂隙面有效愈合。这方面 的研究还有待于进一步地深入。 j v a a g 等1 2 3 1 研究了一种自修复聚酯基体复合材料，在这种材料中利用埋植p 删微 胶囊储备一种裂隙填充剂( 主要是由苯乙烯单体和高分子量的聚苯乙烯组成) ，然后 将其释放至裂隙中黏台裂隙，聚酯基体网络中的官能团会引发修复行为的发生。 l 绪论硕士论文 杨艳娟等阱】利用三点弯曲法测试了微胶囊自修复复合材料的基体和胶囊壳材料 的断裂韧性，并分析了夹层模拟试件和含模拟胶囊试件的断裂特性，证明了要保证自 修复复合材料中裂隙扩展时微胶囊壳能够破裂，实现自修复目的，选材时基体材料和 微胶囊壳材料应有匹配关系，其断裂韧性差值需小于1 0 7 7 5 4 4 5 砌m “2 。但是这个结 论仅仅适用于他们所采用的基体材料和胶囊壳材料，对于其他不同类型的材料，还有 待于更进一步的理论分析和实验研究。 贺跃进等【2 5 】提出微胶囊自修复智能材料的研制要点在于：含修复剂的空心颗粒 对裂隙尖端应力场的影响：空心颗粒壳体的断裂韧性与基体材料的断裂韧性的匹配 关系：裂隙和内含修复液的空心颗粒( 夹杂) 相交时系统的断裂机制。并用实验模拟 的方法验证了空心颗粒壳体的断裂韧性与基体材料断裂韧性的匹配关系，只有当壳体 材料和基体材料的断裂韧性满足某种断裂特性匹配关系时，才有可能实现自修复功能。 对于1 9 1 树脂、e 4 4 环氧树脂和尼龙6 加短切玻纤增强，基体材料和壳体材料的断裂 韧性差值大于8 9 6 6 9 p a 聊“2 ，才可以满足上面说的匹配关系，并实现自修复。 由以上的研究，发现影响复合材料修复效率的主要因素有以下几个方面：修复 剂要同时与增强相和树脂基体有良好的黏接，这样可以获得良好的修复率；微胶囊 与催化剂颗粒的尺寸、浓度影响着复合材料的修复率；原位聚合速度和聚合程度直 接影响着复合材料的修复率；微胶囊的壁厚也对复合材料的修复率有影响。 微胶囊自修复复合材料的研究涉及到材料学、力学、化学、乳液和胶体科学等领 域。经过初期的研究，其断裂行为和微裂隙修复率已经可知。但是还有很多相关的问 题有待更深一步的研究，诸如微胶囊囊壁的断裂机理、微胶囊的力学性能、微胶囊的 壁材与基体材料的相容性、黏结剂的扩散方式、流动性和粘接强度以及微胶囊复合材 料的多次自修复的可行性等。 1 2 3 其他类型自修复材料的研究 h a y e s 等 2 6 】提出另一种新的自修复概念。在热固性树脂基体中引入一些弱的化学 键，高温状态下这些化学键能够断裂并重新键合，比如在热固性树脂基体中引入热塑 性树脂，材料产生裂隙时将复合材料加热，热塑性树脂重新固化，化学键重新交联， 从而粘接裂隙处。在基体树脂中加入2 0 热塑性修复剂，拉伸试验表明，裂隙愈合效 率可达到7 0 ，在e g l a s s 增强环氧树脂复合材料中加入1 0 热塑性修复剂，通过s e m 观察材料修复后的裂隙区域明显减小。这种技术不需要埋入其他介质，所以对复合材 料原有性能影响较小，但由于对热固性树脂进行改性，或引入热塑性树脂于基体材料 中则会使复合材料的加工制各技术等受到影响，因此该技术目前也只处于起步阶段， 仍需较长时间的研究。 朱玉罔等【27 】对于埋入形状记忆合金丝的智能材料，提出了通过监测电阻的变化来 传感外应力引起的应变、判断基材的损伤情况，同时使用参考形状记忆合金丝补偿温 6 硕士论文 材料损伤自修复过程原理实验与流动特性研究 度引起的应变，消除传感误差。在结构自修复过程中，由于环境温度、热对流和热辐 射条件以及加热电流强度不同等因素致使形状记忆合金的温度状态难以确定，为了尽 快让裂隙闭合、在最短的促成形状记忆合金的相变并防止因过热而烧毁基材或形状记 忆合金丝，提出了一种基于电阻变化率反馈的动态自传感加热方法，可以实时检测相 变的起始点和结束点，有效地防止过热。试验结果与理论分析吻合良好。 综上所述，智能自修复技术对于提高产品的安全性和可靠性有着深远的意义，但 目前存在的几种自修复技术还都处于起步阶段，其中纤维管与基体材料的匹配、胶囊 壁材与基体材料的匹配、网络管路结构等问题需要解决，还不能实现产业化，但是随 着研究的深入，相信这些问题终究会得以解决。它的前景依旧是光明的，并将会像计 算机芯片和机器人研制一样引起人们的重视，在材料的结构设计和新材料的诞生领域 产生重大的变革，甚至有可能开拓出新的学科领域。 1 3 本文主要工作 本文主要工作如下： ( 1 ) 建立材料连续自修复系统基本方案，进行原理实验研究，确认其可行性。 ( 2 ) 采用分析和数值模拟方法研究材料自修复系统中非牛顿流体修复剂的流阻 特性及影响因素。 ( 3 ) 对一种双尺度修复剂流道网络的流阻特性进行实验研究。 ( 4 ) 采用数值模拟方法研究材料自修复系统中非牛顿流体修复剂的流动与传热 特性及影响因素。 2 基体材料的裂隙生成及流体充注原理实验硕士论文 2 基体材料裂隙生成及流体充注原理实验 2 1 材料连续自修复过程基本方案 如图2 1 所示，流体在液体箱与试件的液位差所产生的压力的驱动下，流体在管 道内连续的流动，当试件( 基体材料) 产生裂隙时，裂隙刺破埋置在试件中的微管道， 在压力的驱动下流体会充注到裂隙当中，从而实现材料的自修复过程。 2 2 基体材料制备 图2 1自修复方案原理示意图 出口液体容器 2 2 1 基体材料概述 复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。一 般由基体组元与增强体或功能组元所组成。复合材料可经设计，即通过对原材料的选 择、各组分分心设汁和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色 的综合性能。 结构复合材料基本上由增强体材料与基体材料组成。增强体承担结构使用中的各 种载荷，基体则起到粘接增强体予以赋形并传递应力和增韧的作用。复合材料所用基 体主要是有机聚合物，也有少量金属、陶瓷、水泥及碳( 石墨) 。结构复合材料通常按 不同的基体来分类，可以分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、 碳基复合材料、水泥基复合材料【2 8 , 2 9 1 。 聚合物基复合材料是目前结构复合材料中发展最早、研究最多、应用最广、规模 最大的一类，而环氧树脂是目前聚合物基复合材料中最普遍使用的树脂基体。故试验 硕上论文 材料损伤自修复过程原理实验与流动特性研究 所选用的选用的基体材料用e 4 4 环氧树脂来制备。 环氧树脂泛指含有两个或两个以上环氧基，以脂肪族、脂环族或芳香族等有机 化合物为骨架并能通过环氧基团反应形成有用的热固性产物的高分子低聚体。依据它 们的化学性质，文献上将其分类为：环氧化聚烯烃、过醋酸环氧树脂、环氧烯烃聚合 物、环氧氯丙烷树脂、双酚a 树脂、环氧氯丙烷一双酚a 缩聚物、双环氧氯丙烷树 脂以及2 ，2 _ 双( 对羟苯基) 丙烷二缩水甘油醚。 本论文中所用的e 4 4 属于双酚a 型环氧树脂。双酚a 型环氧树脂性能具有如下 特点【3 0 】： ( 1 ) 是热塑性树脂，但具有热固性，能与多种固化剂、催化剂及添加剂形成多 种性能优异的固化物，几乎能满足各种使用要求； ( 2 ) 树脂的工艺性能好，固化时基本上不产生小分子挥发物，可低压成型，能溶 于多重溶剂； ( 3 )固化物有很高的强度和粘结轻度； ( 4 ) 固化物有较高的耐腐蚀性和电性能； ( 5 ) 固化物有一定的韧性和耐热性； ( 6 ) 主要缺点是耐热性和韧性不高，耐候性差。 试验中所使用的固化剂为无锡树脂厂生产的5 9 3 固化剂。该种固化剂属于改性脂 肪族胺类固化剂。脂肪族胺类固化剂是用量仅次于聚酰胺的常用固化剂，它们绝大多 数为液体，可在常温下固化环氧树脂，具有粘度低、色泽浅、毒性小、固化快、操作 简便等特点。与环氧树脂反应固化后可生成透光性较好的固念环氧树脂。 2 2 2 基体材料制备 试验采用e 4 4 环氧树脂溶液与固化剂产生固化反应生成的固体环氧树脂作为基 体材料，其中可以掺加一定比例的增韧剂来控制环氧树脂的韧性。基体材料各组分的 详情见表2 1 ： 表2 1 基体材料各组分 9 2 基体材料的裂隙生成及流体充注原理实验硕士论文 - - - j 酯 ( 增韧剂) 上海久亿化学试剂 有限公司 1 6 7 根据本试验要求，在试件即基体材料产生裂隙时，试件不能产生瞬间的整体断裂， 要求其能缓慢的产生裂隙以使流体有足够的时间充注到裂隙之中。本试验所用e 4 4 环氧树脂与5 9 3 固化剂的质量比为4 ：1 。增韧剂的作用是改变环氧树脂的韧性，当 其掺入质量小于或等于环氧树脂质量的1 0 时，固化后的环氧树脂是一种脆性材料， 此时不满足试验要求；当掺入质量大于环氧树脂质量的1 0 时，固化后的环氧树脂韧 性较好。试验所用增韧剂的质量为环氧树脂质量的2 5 ，在这种配比中制作的试件在 产生裂隙时基本可以满足试验要求。 基体材料的制备过程如图2 2 所示。 图2 2 基体材料制作流程图 模子中预置有铁丝，作为制作试件微管道的途径。室内温度为2 2 c 时，混合溶 液在模子中静置1 2 小时后，环氧树脂将会固化完成，将固化的环氧树脂从模子中取 出，此时环氧树脂基体已经基本制作成型，然后将试件放到温水中预热，将试件中的 铁丝抽出即成为所要求的试件，试件样图如图2 3 所示。 1 0 颈论文 材料损伤自售复过程原理实验与流动特性研究 f a 】试件示意图 2 3 裂隙生成实验 0 ) 试件实物图 图2 3 试件样图 2 3 1 裂隙类型 根据构件所受到的载荷形式的不同可以将裂隙分为如图24 所示的三类”1 】 2 基体材料的裂隙生成及流体充注原理实验 硕士论文 i 型张开型i i 型划开型 撕开型 图2 4 裂隙的三种类型 i 型裂隙，称为张开型。承受的是与裂隙面垂直的正应力o ，裂隙面的位移是沿 y 方向的。即在正应力0 的作用下，裂隙上下表面的唯一使裂隙张开，张开型裂隙是 工程中最常见的、最易于引起断裂破坏发生的裂隙。 i i 型裂隙，称为划开型。如图2 4 所示，承受的是在x y 平面内的剪应力r ，裂 隙面的位移是沿x 方向，并垂直于裂隙前缘的。即在面内剪应力，【的作用下，裂隙二 表面的位移使裂隙沿x 方向滑开。 型裂隙，称为撕开型。如图2 4 所示，承受的是在y z 平面内的剪应力t ，裂 隙面的位移是沿z 方向，并平行于裂隙前缘。即在面外剪应力t 的作用下，裂隙二表 面的位移使裂隙沿z 方向滑开。 试验中所产生的裂隙即为i 型裂隙。 2 3 2 试验方法 三点弯曲法可以用来测量材料的断裂韧性，同时也可以用来作为使材料产生裂 隙的一种方法，本试验即采用三点弯曲法使试件产生裂隙。 在加载实验进行之前，应当对试件预先制出裂隙。实验所采用的预制裂隙的方 法是对试件进行预热，待其软化后用直径为0 1 5 m m 的镍丝切入到试件相应的位置。 将预制好裂隙的试件安装在夹具上，当进行加载试验时，压力通过力传感器输出的电 讯号通过采集仪传输到电脑上，最后得到力与相应变量的关系曲线。实验原理示意图 如图2 5 所示。 1 2 2 - 7 形 牛f - s ，早 ( a ) 三点弯曲示意图 曰同 硕论文材料揖伤自修复过程厚理实验与流动特性研究 试验机操作台2 支座3 辊轴4 试件5 加载装置6 信息采集器7 计算机 ( b ) 加载试验系统示意图 图2 5 实验原理图 2 3 3 实验设备及实验步骤 本实验所用的实验机为长春试验机研究所研制生产的c s s 4 4 3 0 0 电子万能试验机 最大载荷可以达到3 0 0 k n ，在负荷传感器容量的0 4 a 旷1 0 0 范围横粱的位移速度精 度在00 5 - 5 0 0 m m m i n 范围内，力的测量精度为示值的05 。横梁位移测量分辨率 高于0 0 0 1 r a m ，可在o 0 0 5 5 0 0 n u r d m i n 内任意设置位移速度，位移速度精度优于 o5 。试验机所使用的软件为t e s t e x p e r t l 1 ，试验机实物图及夹具图分别如图2 6 ， 国2 7 所示。 圈2 6 电子万能试验机国2 7 试验机夹具 2 基体村料的裂隙生成及流体充注原理实验 硕论文 试验机的操作步骤如下： ( 1 ) 打开试验机控制系统e d c 后面板上的电源开关，待测试完毕，进入p c - c o n t r d l 状态： ( 2 ) 启动计算机进入w i n d o w s 系统，进行测试程序c s s ； ( 3 ) 进入程序主界面后，点击“联机”联机成功后，点击“启动”按钮，启动 试验机： ( 4 ) 输入实验条件参数，并将其指定为某文件名后存盘； ( 5 ) 安装央具并摆放试件，然后通过控制调速器来调节横梁的移动速度，使压 头与试件接触； ( 6 ) 单击程序主界面中的“实验”按钮，开始加载实验，试验过程中，注意曲 线的变化情况，若表现异常，立即按下“结束实验”按钮，停止实验； ( 7 ) 试样断裂后，点击“结束实验”； ( 8 ) 输出、存储数据，取下试样。 加载实验结束后，试件所产生的裂隙如图2 8 所示。 2 4 流体充注实验研究 图2 8 试件裂隙 2 4 1 实验原理 实验系统示意图如图2 9 所示。采用高位水箱作为流体流动的动力装置，试件内 置的微管道直径有03 m m 和o8 m m 两种，采用外径为15 m m ，内径为1 0 m m 的聚四 氟乙烯管作为向试件输送流体的输送管道。 在液体箱位差所产生的压力的驱动下，流体在管道中持续流动，使用试验机对试 件进行缓慢加载，待试件产生的裂隙扩展至试件中的微管道时，微管道中的流体就会 渗入到裂隙之中，定性的证明这种方案运用于自修复系统是可行的。 硕士论文 材料损伤自修复过程原理实验与流动特性研究 1 液体箱2 调节阀3 试件4 支座5 试验机操作台6 辊轴7 加载装置 8 信息采集器9 、1 2 计算机1 0 c 摄像头1 1 视额采集卡1 3 出口液体容器1 4 电子秤 图2 9 流体充注及可视化实验系统图 2 4 2 实验过程及实验结果分析 2 4 2 1 实验过程 试件的两端预制有直径为1 s m m 的管槽用来连接输送管( 聚四氟乙烯管) ，为了 防止流体在连接处泄漏，需在连接处涂以密封胶。连接前跟连接后的实物图如图21 0 所示。 f a ) 连接前的试件 殖霉 芹 2 基体材料的裂馘生成及流体充注原理实验硕论文 连接后的试件 图2 1 0 试件与聚四氟乙烯管管连接闰 3 0 分钟后密封胶基本凝固，由于实验中流体流速很小，此时流体所产生的压力 不足以破坏密封胶的密封性能，因此可以认为此时已经将连接处良好的密封。 试验的系统装置图如图21 1 所示。 图2 l l 试验系统装置圈 硕士论文材料损伤自修复过程原理实验与流动特性研究 具体的实验步骤如下： ( 1 ) 按照2 2 3 节所述的( 1 卜- ( 4 ) 步正常启动电子万能试验机； ( 2 ) 安装夹具并摆放连接好的试件，后通过控制调速器来调节横梁的位移速度， 使压头与试件接； ( 3 ) 启动视频监控设备，调整c c d 摄像头的焦距，使图像清晰； ( 4 ) 放置电子天平，调平调零； ( 5 ) 打开调节阀使流体在管道中持续流动同时计时，并用烧杯收集流出的流体； ( 6 ) 开启视频监控设备并启动电子试验机开始加载充注实验； ( 7 ) 当试件裂隙中有流体渗出时停止试验机同时停止视频监控设备； ( 8 ) 将试验机的横梁上升，取下试件； ( 9 ) 称量烧杯中收集的流体； ( 1 0 ) 输出并保存试验机所采集的数据，停止试验机，停止视频采集设备。 试验中，图像通过c c d 摄像头采集，图像采集卡为海康威视d s 4 0 0 4 h c ，预览 分辨率和编码分辨率可达4 c i f ，图像采集时所采用的视频帧率为2 5 帧秒。电子秤的 精度为0 0 1 9 。 2 4 2 2 实验结果 分别采用水、油和e 5 1 环氧树脂作为工质进行了充注实验，三种工质的物性参 数如表2 2 所示。 表2 2r t 质的物性参数 如图2 9 所示，液体箱中液体表面与试件中微管道的液位差为h = h + h 。在 加载进行的同时使水在管道中持续的流动，最后测得水的质量流量历，然后根据以 下公式计算得到此时的雷诺数r e 。 r e ：堕 ( 2 1 ) v 历= 三弘舢 ( 2 2 ) 由以两式得到 1 7 2 基律材料隙成及流体充原理宴验 砸论文 r e ：竺r 2 3 ) f p dp 式中，前一流体质量流量，k s ； d 一圆管直径，m ； p 一流体运动粘度m s ： p 一流体密度，k g m 3 ； 为保证流体在试件中稳定的流动，需要保证液体箱中的液位保持不变以维持恒定 的压力。由于流体的流动及充注试验在5 分钟内结束，所以认为，在5 分钟内水箱中 的液位变化量与水箱中初始液位高度的比值m 1 小于1 时压力的变化可以忽略不 计，在表2 3 、表2 4 、表2 5 中所示的, h h 值即为流体持续流动5 分钟时的比值。 a ) 以水作为工质 为便于观察水充注到裂隙中的过程，试验时在水中加入了少量的红色墨水，试件 的规格以及条件如表2 3 所示。 表2 3 试件的规格及条件 注：表中l 、w 、h 、d 的意义如图23 ( a ) 中所示。 实验得到试件的流体充注图片及力位移曲线分别如图21 2 和图21 3 所示。 ( a ) 1 号试件产生裂隙前( 哟0 ) 1 号试件产生裂隙、流体充注完成( 1 7 0 s 碗 “论文 材料损伤自修复过程原实验5 流动特b 研究 ( 曲1 号试件裂隙剖面显微照片 图21 21 号试件裂隙生成及流体充注图 日寸目b 图2 1 31 号试件的力一位移曲线 a ) 2 号试件产生裂隙前( 0 s )( b ) 2 号试什产生裂隙、流体充注完成( 1 5 5 s 2 * f 村料的裂瞰生j “州。充注朦d 蛮驰l 】6 1 l * 女 ( 曲2 号试件裂隙剞面显微麒片 幽21 42 号试件裂隙生成驶流体充注图 嗤2 1 52 号试什的力一位移曲线 图21 2 ( c ) 、图21 4 ( c ) 中的白色圆孔即为试件中预置微管道的剖面，可以看出 流体能够很好的覆盖裂隙表面并保持在表l 酊上。 b ) 以1 1 # 润滑油作为工质 试件的规格以及条件如表2 4 所示。 碗论文 材料损伤自恬复过程原实验b 流动特性研究 实验得到试件的流体充注结果及力一位移曲线分别如图21 6 和囤21 7 所示 f c ) 3 号试件裂隙剖面显微照片 幽2i 6 3