纳米粉末橡胶增强可修复环氧树脂的制备及应用

作     者：胡慧敏 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：成梦娇;仇登利

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：纳米粉末橡胶 环氧树脂 可修复材料 声发射技术 

摘      要：固化后的环氧树脂具有诸多优势,如高强度、良好的耐热性及优异的耐化学腐蚀性,被广泛运用于航空航天、船舶等领域。然而,固化的环氧树脂由于刚性分子结构的存在,导致其易于开裂、韧性较差、使用寿命短,从而限制了其应用范围。对环氧树脂的增强增韧改性和引入可修复的特性以延长材料使用寿命是近年来研究的重点,也有研究将两种方法结合起来制备高性能的可修复环氧树脂材料。但是,制备兼具修复性能与力学性能的聚合物材料仍然存在很大的挑战:力学性能好的材料很难修复,而修复性能好的材料通常都比较软,缺乏使用价值。为了解决这一问题,在本研究中,我们通过纳米粉末橡胶掺杂的方法,对两种可修复环氧树脂的合成与应用进行了研究。本文研究的目的是维持材料修复性能的同时增强材料的力学性能,使其不仅具有可修复环氧树脂的优良性能,如修复性能好、耐热性好和耐化学腐蚀性,还融合了纳米粉末橡胶增强的优势,如强度高和良好的耐冲击性。本文创新性研究成果如下: （1）发展了纳米粉末橡胶增强可修复环氧树脂的方法,我们将不同含量的纳米粉末橡胶（VP-501）掺入双酚A二缩水甘油醚（DGEBA）/胺可修复环氧树脂（EP-AA）中,制备了DGEBA/胺可修复环氧树脂复合材料（EP-AA-x%VP）,实现了维持修复性能的基础上力学性能的提升。实验结果表明,添加2 wt.%VP-501的EP-AA-2%VP的力学性能最佳,拉伸强度为20.7 MPa,断裂能为1233.3 J·m-3,冲击强度为2.7 KJ·m-2,硬度为79.1 D。与EP-AA相比,拉伸强度增加了41.8%,断裂能增加了245.8%,冲击强度增加了12.5%,硬度增加了7.2%。通过划痕测试、人为断开-拼接测试、拉伸测试,我们发现EP-AA-2%VP在90℃下可以实现修复,修复效率最高可达88.9%,保持了其修复性能,这一方法为可修复材料的力学性能提升提供了基础。 （2）论证了这种增强方法的普适性,我们将不同含量的VP-501掺入到DGEBA/酸酐可修复环氧树脂体系中,制备了DGEBA/酸酐可修复环氧树脂复合材料（EPV-x%VP）,实现了可修复环氧树脂的力学性能的提升。研究发现,含1 wt.%VP-501的EPV-1%VP力学性能最优,拉伸强度为58.3 MPa,冲击强度为16.5 KJ·m-2,断裂能为4.1KJ·m-3,硬度为86 D。相对EPV-0来说,拉伸强度增加了44%,冲击强度增加了153.8%,断裂能增加了17.1%,硬度增加了3.5%。通过划痕测试、拉伸测试可知,EPV-1%VP可以在170℃实现修复,修复效率为65.0%。这一材料的制备为设计航天器等所需修复材料提供了可靠的设计方案。 （3）制备了可修复环氧树脂基体,结合声发射技术,实现可修复树脂基体的损伤定位识别。对基体三个不同位置进行断铅测试,定位结果分别为55.9779 mm、81.2141 mm、101.3337 mm,每个位置测量三次误差不大,证明了该方法能够实现精确的损伤定位。这一方法拓宽了可修复树脂的应用范围,为下一步修复位置提供了可靠的基础,并有望实现损伤识别与可控修复一体化。