微胶囊自修复复合材料断裂力学实验研究

微胶囊自修复复合材料断裂力学实验研究/杨艳娟等・143・

微胶囊自修复复合材料断裂力学实验研究3

杨艳娟, 张　恒, 张　军, 王双华, 段成金, 贺跃进

(郑州大学材料科学与工程学院, 郑州450052)

　　摘要　　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, 研究了胶囊壳材料与基体材料断裂韧性的匹配关系。结果表明:当基体材料与胶囊壳材料的断裂韧性差值小于107754. 45Pa ・m 1/2时, 裂纹扩展时胶囊壳能够破裂。

关键词　　自修复　复合材料　断裂韧性

The Experiment Study of Fracture Mechanics on Self 2healing Composite

Material Containing Microcapsules

YAN G Y anjuan , ZHAN G Heng , ZHAN G J un , W AN G Shuanghua , DUAN Chengjin , HE Yuejin

(School of Materials Science and Engineering , Zhengzhou University , Zhengzhou 450052)

Abstract 　　In this paper , the f racture toughness match relation between the shells of cap and matrices is

studied through fracture toughness testing of matrices and capsule shells of the sandwich simulating sample and the sample containing The the f racture toughness margin of matrices and cap sule shells is less ・2, can break up when the crack propagates.

K ey w ords 　　self , toughness

　　　随着科技的发展, , 但由于其自身的特点, , 其表面和内部不可避免地出现各类损伤, 尤其是材料内部会产生微裂纹。这种微裂纹的出现和扩展将引起材料整体性能的下降, 导致构件过早失效, 因此消除或抑制材料内部微裂纹扩展对维护材料的正常使用至关重要。自修复复合材料是模仿生物的自愈合, 具有裂纹自我修补功能的智能材料之一, 它具有修补基体微裂纹和预防潜在危害的作用, 可以延长材料的使用寿命, 增加构件的安全系数。因此, 近年来对它的研究已成为热点之一。

微胶囊自修复复合材料是Scott White 等[1]发明的一种在材料中分别混入含有粘结剂和固化剂微型胶囊的复合材料。当材料中出现裂纹时, 胶囊受力破裂, 释放出的粘结剂与固化剂通过毛细作用流到损伤区, 接触后发生聚合反应, 粘结裂纹面, 阻止裂纹进一步扩展, 从而实现材料的自修复功能。目前, 该材料的性能及修复效果已有相关研究[2,3]。

要实现该材料的自修复功能, 则当裂纹前沿遇到微胶囊时, 微胶囊必须能够破裂使修复剂流出, 这就需要对该材料进行断裂力学设计。自修复复合材料裂纹自修复机制的前期过程可以模型化为裂纹和含液体胶囊的夹杂问题, 本文主要对此自修复材料的裂纹扩展规律与基体材料/胶囊壳材料断裂特性的匹配关系进行了研究。

和脲醛树脂为基体材料,SiO 2粉末(气相) 和短切玻璃纤维为增强材料。先将树脂胶液、固化剂或填料等按配比进行充分均匀的搅拌, 静置2min , 浇注到模具中待其固化, 然后脱模[4]。

2　断裂力学分析实验

2. 1　基体材料和微胶囊壳材料断裂韧性K IC 的测定

利用上述聚合物制作基体材料和微胶囊壳材料试件模型, 采用三点弯曲法[5,6]测试其断裂韧性, 实验装置如图1所示

。

图1　实验装置示意图

将试件在压力试验机上加载, 信号分别通过载荷传感器和

位移传感器送入电阻应变仪, 经放大后再送入采集仪, 最后输入电脑进行数据处理。采集到的信号如图2(脲醛树脂) 所示, 其中, X 轴为裂纹张开位移信号(V ) , Y 轴为加载中的载荷信号(P ) 。

1　试件的制备

本实验选用不饱和聚酯(191树脂) 、环氧树脂(E 244) 、尼龙

　3国家自然科学基金资助项目(批准号:10472106) 　杨艳娟:女,1980年生, 硕士生　张恒:男, 教授, 博导, 主要从事复合材料研究　Tel :[1**********]57　E 2mail :[email protected]

・144・材料导报　　

性差值Δ

K IC 见表2。

　　2007年1月第21卷第1期

表2　基体材料和夹层材料的断裂韧性差值(P a ・m 1/2)

A 1/N B 1/A 2A 4/B 2A 2/E 1A 2/E 2试样

ΔK IC 15653. 6167859. 9890248. 62107754. 45116462. 42

A 3/B 1A 4/N A 1/B 1A 4/B 1试样

Δ

K IC 122196. 23141656. 99149933. 15275936. 53

图2　P 2V 曲线

三点弯曲试件加载时, 裂纹顶端应力强度因子K I 的表达式为:

　　K I =其中:

　　f () =

W

) 3/2f (W B W

图3　夹层试件示意图

将试件在压力试验机上压断, 观察断口情况。断裂后试件

的裂纹面出现两种情况:一种是试件的裂纹扩展直接穿过夹层, 扩展途径与疲劳裂纹在同一平面; 另一种是裂纹扩展绕开夹层, 扩展途径与疲劳裂纹不在同一平面中A 1/N 、B 1/A 2、A 4/B 2、A 2/E 1,A 2/E 2、A 3/B 1、A 4/N 1/1、A 4/。夹层试件断4。

3(

) 2

[1. 99-(

) (1-) (2. 15-3. 93+2. 7() 2) ]

3/2

) 2(1+2) (1-W W

式中:P 为载荷, S 为名义跨距, B 为试件厚度, W 为宽度, a 为

裂纹长度。利用K I 表达式, 代入裂纹长度a P q 出K q , 然后对K q 进行有效性检验当q , q 即为材料的K IC , B , 、尼龙和脲醛树脂试件尺寸B 。, 不饱和聚酯、环氧树脂、尼龙和脲醛树脂分别用A 、B 、N 和E 表示。添加不同量的增强材料调配上述树脂胶液, 得到的断裂韧性值见表1。

表1　聚合物试件的断裂韧性K I C /(P a ・m 1/2)

A 1

629020. 36411227. 23601283. 44755023. 74664775. 12303472. 78294764. 81613366. 75

A 2A 3A 4B 1B 2E 1E 2N

不饱和聚酯

环氧树脂脲醛树脂尼龙

(a ) 裂纹扩展穿过夹层　　　　(b ) 裂纹扩展绕过夹层

图4　断裂后夹层试件的裂纹面

2. 3　含模拟胶囊试件的裂纹穿透性验证

利用含模拟胶囊试件分析平面裂纹和含液体圆形夹杂的断

裂特性, 验证由夹层模拟试件总结出的规律。选取配组B 1/A 2、A 4/B 2和A 2/E 1制作模拟胶囊试件, 经压力试验机压断后, 观察断面。含模拟胶囊试件示意图及试件断面图(A 4/B 2断面) 见图5。从试件的断面可以看出, 裂纹的扩展直接穿过模拟胶囊, 说明在上述试验得出的断裂韧性匹配范围内, 可以实现微胶囊的有效破裂。

2. 2　夹层模拟试件断裂特性实验

在不考虑胶囊内液体影响的情况下, 基体和胶囊壳材料可以抽象化为含胶囊材料的夹层模型。通过分析夹层模拟试件的断裂特性, 寻找裂纹的扩展规律与基体材料/胶囊壳材料断裂特性匹配关系。为保证胶囊壳材料在裂纹扩展力作用下能够破裂, 其断裂韧性应低于基体材料。根据上述实验结果, 选取不同的配组, 制作夹层模拟试件。制备时先制成厚度为3mm 的夹层薄片, 将其固定在模具内约试件厚度1/2的位置。夹层模拟试件示意图见图3。

本实验共设计了9组试件, 基体材料和胶囊壳材料的配组方式分别为:A 1/N 、B 1/A 2、A 4/B 2、A 2/E 1、A 2/E 2、A 3/B 1、A 4/N 、A 1/B 1和A 4/B 1。各组试件基体材料和夹层材料的断裂韧

3　结论

为保证自修复复合材料中裂纹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　　　

(下转第147页)

磁控溅射制备TiO 2薄膜的抗凝血性能/黄永刚等

湿性得到改善。薄膜表面能的提高使其血液相容性显著变差; 而在500℃热处理后, 薄膜表面的晶体生长使表面粗糙度较针状结构时减小, 由此可推测, 样品抗凝血性能的改善可能与这种表面结构的变化有关

。

・147・

洁、致密均匀, 具有较强的疏水性能。与未镀膜的玻璃比较, 镀TiO 2薄膜的样品的抗凝血性能得以明显改善。因此, 磁控溅射法制备抗凝血TiO 2薄膜是可行的。同时, 基片温度、热处理温度显著影响薄膜的抗凝血性能。在本实验工艺参数范围内, 较高基片温度下制备的薄膜具有较好的抗凝血性能, 热处理不利于改善薄膜的抗凝血性能。而导致薄膜表面抗凝血性能变化的主要原因在于薄膜表面能、表面结构和表面形貌的变化。

参考文献

国家科学自然基金. 生物医学工程学科发展战略调查报告

[M ]1北京:科学出版社,1995188

2Sunny M C , Sharma C P. Titanium 2protein interaction :

changes with oxide layer thickness [J]1J Biomater Appl , 1991, 5(6) :89

3Zhang F , Liu X H , Mao Y J , et al. Artificial heart valves :

improved by ion beam assisted deposition [J ].Surf Coat Techn , 1998,1032104:146

4Huang N , Yang P , Cheng X , et al. Blood compatibility of

amorphous titanium oxide synthesized by ion beam en 2chanced deposition[J].,1998,19:771

5Liu J X , D Z , Shi F , deposited TiO 2film

Ti surgical improvement [J]., of the surface roughenss

of intra 2oral hard substrate on microbiol 2of the supra 2subgingival plaque :results of an in vitro and in vivo experiment [J].J Dent , 1994, 22(suppl ) :137张玉梅, 魏建华, 赵铱民, 等. 钛表面碱液处理后表面能的变

化及对成骨细胞附着的影响[J].牙体牙髓牙周病学杂志, 2003,13(10) :561

8Bolz A , Schaldach M. Artificial heart valves :Improved

blood compatibility by PECVD α2SiC coating [J].Artificial Organs ,1990, 144(4) :260

9Baurschmidt P , et al. The electrochemical aspects of the

thromobogenicity of materials[J]1J Bioeng ,1977,11(1) :26110黄永刚, 陈敏, 李长敏, 等. 磁控溅射制备TiO 2薄膜的亲水

性能的研究[J].材料科学与工程学报,2004,22(3) :401

1

图5　

热处理前后薄膜样品的动态凝血曲线

图6　热处理前后薄膜的AFM 形貌

3　结论

用RF 磁控溅射法在玻璃基片上制备的TiO 2薄膜表面光

(责任编辑　张　敏)

(上接第144页

)

系, 其断裂韧性差值需小于107754. 45Pa ・m 1/2。本实验所得

到的结论仅仅适用于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, 有待于更进一步的理论分析和实验研究。

参考文献

123

White S R , Scottos N R , et al. Autonomic healing of poly 2mer composite. Nature ,2001,409(2) :794

田薇, 王新厚, 潘强, 等. 自修复聚合物材料用微胶囊. 化工学报,2005, 56(6) :1138

Brown E N , White S R , Sottos N R. Microcapsule induced toughening in a self 2healing polymer composite. Mater Sci , 2004,39:1703

王顺亭, 杨学忠, 庄瑛, 等. 树脂基复合材料. 北京:中国建材工业出版社,19971168

赵建生. 断裂力学及断裂物理. 武汉:华中科技大学出版社,20031201

褚武扬, 林实, 田中卓. 断裂韧性测试. 北京:科学出版社, 1979134

456

图5　含模拟胶囊试件示意图及断面图

(责任编辑　林　芳)