CN111518295A - 一种用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，包括：步骤S1，制备可导电纳米溶液；步骤S2，制备可导电纳米材料涂敷纤维束；步骤S3，制备可导电纳米材料填充界面相拔出试样。根据本发明，其通过表征纤维束拔出载荷作用下可导电纳米材料填充热塑性复合材料界面相损伤形成及尺寸的演化规律，揭示了界面相强度的提升机制，一方面可从本质上提升热塑性复合材料界面粘结强度，另一方面借助提升机制有望从损伤早期即可避免热塑性复合材料在发生突发性破坏。

Description

一种用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法
技术领域
本发明涉及热塑性复合材料领域，特别涉及一种用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法。
背景技术
随着国家决定大力发展绿色环保可持续发展复合材料，具有轻质高强、高韧、可回收再利用等优势的热塑性复合材料受到空前关注，其在航空、航天、航海、汽车及高铁等尖端前沿科技领域已初步展现了诱人的应用前景。
在研究和改进热塑性复合材料的过程中，发明人发现热塑性复合材料失效的根本诱因为纤维/基体界面相性能退化，同时，纤维/基体界面脱粘处于热塑性复合材料失效进程的早期，而现有技术中对于如何提高界面相强度及如何在损伤早期避免热塑性复合材料的突发性破坏仍旧没有较好的解决方案。有鉴于此，实有必要开发一种用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，用以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的主要目的是，提供一种用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，其通过表征纤维束拔出载荷作用下可导电纳米材料填充热塑性复合材料界面相损伤形成及尺寸的演化规律，揭示了界面相强度的提升机制，一方面可从本质上提升热塑性复合材料界面粘结强度，另一方面借助提升机制有望从损伤早期即可避免热塑性复合材料在发生突发性破坏。
为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，包括以下步骤：
步骤S1，制备可导电纳米溶液：
将可导电纳米材料及十二烷基硫酸钠按照9～11：2～4的质量比混合后加入去离子水，超声分散后得到浓度为5.10～7.50mg/ml的可导电纳米溶液；
步骤S2，制备可导电纳米材料涂敷纤维束：
抽取一束纤维束置入步骤S1制备得到的可导电纳米溶液中浸泡0.8～1.5min后立即取出，随后将浸泡后的纤维束置入真空烘箱中在115～128℃下加热3～6min进行一次烘干，将一次烘干后的纤维束再次置入步骤S1制备得到的可导电纳米溶液中浸泡0.8～1.5min后立即取出，将再次浸泡后的纤维束置入真空烘箱中在115～128℃下加热1～3min进行二次烘干，如此浸泡-烘干至少两个周期，使得纤维束表面的可导电纳米材料的含量为0.0117～0.0313mg/mm；
步骤S3，制备可导电纳米材料填充界面相拔出试样：
将烘干后的一束纤维束悬空固定，在熔融状态下将热塑性树脂基体滴覆于纤维束表面，待热塑性树脂基体在常温下固化后即可得到单根可导电纳米材料填充界面相拔出试样。
可选的，在步骤S3之后还设有：
步骤S4，制备可导电纳米材料填充纤维束增强半圆形树脂微滴试样：
将烘干后的一束纤维束铺设于脱膜平板上，在熔融状态下将热塑性树脂基体滴覆于纤维束表面，待热塑性树脂基体在常温下固化后将纤维束连同其上的热塑性树脂基体一并从脱膜平板上剥离脱膜即可得到单根可导电纳米材料填充纤维束增强半圆形树脂微滴试样。
可选的，所述纤维束由碳纤维、玻璃纤维、硼纤维及碳化硅纤维中的任意一种制成。
可选的，所述可导电纳米材料为多壁碳纳米管(MWCNT)及石墨烯中的任意一种；所述热塑性树脂基体为松香树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)及环氧树脂中的任意一种。
可选的，在步骤S1制备可导电的纳米溶液的过程中，利用超声波分散仪在功率250～350W下分散100～130min。
可选的，熔融的热塑性树脂基体的温度要控低于其玻璃化温度，在滴覆至纤维束上过程中，任意两根纤维束上的热塑性树脂基体的滴加量要保持相等。
可选的，可导电纳米材料填充界面相拔出试样的界面相强度采用纤维束拔出试验进行测试并采用界面相未填充可导电纳米材料的试样作为对比组；在纤维束拔出试验过程中采用电阻计进行原位监测纤维束上的界面相电阻信号，通过界面相电阻变化来定量描述界面相损伤程度。
可选的，在纤维束拔出试验前，将制得的可导电纳米材料填充界面相拔出试样在45～55℃的温度下退火处理25～35分钟，随后在室温下静置12～16天，以消除在制备过程中由于纤维、基体膨胀系数不一致而产生的界面相残余应力。
可选的，可导电纳米材料填充界面相拔出试样在经过纤维束拔出试验后，通过在纤维束两端施加电压，即可利用纳米材料的导电性产生的电热来修复界面相的损伤。
可选的，为了提高纤维束拔出试验的载荷-位移数据的可信度，同一类型试样的测试在同一台试验机的相近时间段内一次性完成。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于其通过表征纤维束拔出载荷作用下可导电纳米材料填充热塑性复合材料界面相损伤形成及尺寸的演化规律，揭示了界面相强度的提升机制，一方面可从本质上提升热塑性复合材料界面粘结强度，另一方面借助提升机制有望从损伤早期即可避免热塑性复合材料在发生突发性破坏。
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于其通过发展可导电纳米材料填充热塑性复合材料界面相电阻信号处理方法，建立了电阻信号特征与界面相损伤特征的关联，实现其损伤特征的定量描述，这将提高热塑性复合材料性能预报的精度。
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于其开展了基于可导电纳米材料填充热塑性复合材料界面相电热的损伤定量修复方法研究，建立了界面相电热与损伤特征的关联，澄清了电阻信号指引的损伤熔融修复机理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制，其中：
图1为根据本发明一个实施方式提出的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法中利用电阻计原位监测纤维束(丝)拔出试验过程中的电阻信号的电路图；
图2为根据本发明一个实施方式提出的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法中的损伤修复电路图；
图3a为根据本发明一个实施方式提出的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法制备得到的玻璃纤维表面的MWCNT分散状态，该图通过SEM电子显微镜拍照收集得到；
图3b为根据本发明一个实施方式提出的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法将熔融的树脂基体滴覆纤维表面待树脂固化后得到的纤维束拔出试样的照片；
图3c为根据本发明一个实施方式提出的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法制备得到的MWCNT填充纤维束(丝)增强半圆形松香微滴试样的照片；
图4为根据本发明一个实施方式提出的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法中的表面涂敷了MWCNT的纤维束与对比组的载荷-位移曲线图；
图5为根据本发明一个实施方式提出的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法中的拔出剪切载荷-位移曲线；
图6为根据本发明一个实施方式提出的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法中的玻璃纤维/EVA复合材料中嵌入的界面传感器的拉伸-剪切载荷-位移曲线及电阻变化的同步反馈曲线；
图7为根据本发明一个实施方式提出的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法中通过界面传感器在不同电源下产生的电加热来对试件进行修复，图中利用电镜拍照示出了试件修复前后的对比图；
图8a为根据本发明一个实施方式提出的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法中制备得到的玻璃纤维表面的MWCNT分散状态，该图通过SEM电子显微镜拍照收集得到；
图8b为根据本发明一个实施方式提出的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法中将熔融的树脂基体滴覆纤维表面，待树脂固化后即可得到纤维束拔出试样。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词是相对于各附图中所示的构造进行定义的，特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化，所以，也不应当将这些或者其他的方位用于解释为限制性用语。
涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
实施例一
用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法包括以下步骤：
步骤S1，制备可导电纳米溶液：
将可导电纳米材料及十二烷基硫酸钠按照10：3的质量比混合后加入去离子水，超声分散后得到浓度为6.25mg/ml的可导电纳米溶液；
步骤S2，制备可导电纳米材料涂敷纤维束：
抽取一束纤维束置入步骤S1制备得到的可导电纳米溶液中浸泡1min后立即取出，随后将浸泡后的纤维束置入真空烘箱中在120℃下加热5min进行一次烘干，将一次烘干后的纤维束再次置入步骤S1制备得到的可导电纳米溶液中浸泡1min后立即取出，将再次浸泡后的纤维束置入真空烘箱中在120℃下加热3min进行二次烘干，如此浸泡-烘干5个周期，使得纤维束表面的可导电纳米材料的含量为0.0238mg/mm；
步骤S3，制备可导电纳米材料填充界面相拔出试样：
将烘干后的一束纤维束悬空固定，在熔融状态下将热塑性树脂基体滴覆于纤维束表面，待热塑性树脂基体在常温下固化后即可得到单根可导电纳米材料填充界面相拔出试样。上述制备过程中，可采用光镜观察的手段判定并调节试样中松香树脂含量的均一性。
应该指出，为了便于后续开展电镜、热成像仪、XRD(X-ray diffraction)等试验测试，在步骤S3之后还设有：
步骤S4，制备可导电纳米材料填充纤维束增强半圆形树脂微滴试样：
将烘干后的一束纤维束铺设于脱膜平板上，在熔融状态下将热塑性树脂基体滴覆于纤维束表面，待热塑性树脂基体在常温下固化后将纤维束连同其上的热塑性树脂基体一并从脱膜平板上剥离脱膜即可得到单根可导电纳米材料填充纤维束增强半圆形树脂微滴试样。
本项目拟采用EB800型玻璃纤维作为增强体材料，纤维丝可从玻璃纤维布上抽取得到，该纤维布的面密度为800g/m2，单束玻璃纤维中纤维根数约为1000根，单根玻璃纤维直径为20μm，一束玻璃纤维在基体中沿径向的横截面直径为1701μm，该材料可从江苏九鼎新材料股份有限公司购得。MWCNT填充界面相试样中所用的基体为松香树脂(室温下熔点110℃，分子式为C20H30O2，Rosin oilARO型)是一类可从多种松树中获得的绿色环保型树脂，可从上海峪本科技有限公司购得。多壁碳纳米管(MWCNT，-COOH功能化，碳含量>70％；表面电阻率<900S/m)填充物可从中国科学院成都有机化学有限公司购置。实验时，纤维、树脂、MWCNT无需进行进一步处理即可使用。前期工作采用上述方法制备得到的玻璃纤维表面的MWCNT分散状态如图3a所示；将熔融的树脂基体滴覆纤维表面，待树脂固化后即可得到纤维束拔出试样，如图3b所示；MWCNT填充纤维束(丝)增强半圆形松香微滴试样如图3c所示。
进一步地，在步骤S1制备可导电的纳米溶液的过程中，利用超声波分散仪在功率300W下分散120min。
进一步地，熔融的热塑性树脂基体的温度要控低于其玻璃化温度，在滴覆至纤维束上过程中，任意两根纤维束上的热塑性树脂基体的滴加量要保持相等，以使得滴在纤维束上的热塑性树脂基体要保持均匀大小。
本实施例具体操作时，可采用SEM(Scanning Electronic Microscopy)、AFM(Atomic Force Microscopy)、XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)等方法定量测定玻璃纤维表面MWCNT的分布、含量等参数。所制备的界面相电性能对本实施例MWCNT填充界面相的感知和修复功能尤为重要，导线与界面相中的MWCNT可通过涂覆在试样两侧的导电银连接，以尽量避免接触电阻带来的误差。试验时可采用下述关系评价所制备MWCNT填充玻纤/松香界面相试样的导电性能：MWCNT填充界面相的导电性取决于MWCNT涂覆玻璃纤维束(丝)长度l、体积电阻ρ及导电面积Acoat三个参量，可用以下关系式描述：
Figure BDA0002553748370000061
使用过程中，可以利用上述关系判断界面相的长度、涂覆MWCNT的含量等参数是否最佳。
多壁碳纳米管(MWCNT)填充玻璃纤维/松香界面相微细尺度损伤演化规律：
1.1)纤维拔出试验及微观形貌观察
可导电纳米材料填充界面相拔出试样的界面相强度采用纤维束拔出试验进行测试，记录得到的拔出载荷-位移数据，并采用界面相未填充可导电纳米材料的试样作为对比组。
在纤维束拔出试验前，将制得的可导电纳米材料填充界面相拔出试样在50℃的温度下退火处理30分钟，随后在室温下静置14天，以消除在制备过程中由于纤维、基体膨胀系数不一致而产生的界面相残余应力，并利用XRD测试确认。采用SEM和FIB(Focused Ionbeam)/SEM(Scanning Electronic Microscopy)对经过不同纤维拔出载荷作用前后的MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相状态开展观察。SEM重点观察界面相失效后的纤维表面树脂形貌、树脂粘着状态、表面粗糙度、强度/刚度匹配特征等参量；采用Ga+离子源(镓)对经过不同拔出载荷作用的MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相沿纤维轴向不同位置原位切割后进行观察，重点关注界面相在初始脱粘、局部脱粘、最大脱粘和完全脱粘四个不同阶段的F(纤维)、MWCNT、M(树脂)的分布状态及其与损伤特征(Le(程度)、Sh(形式)、Si(尺寸)、Di(方向))的交互作用等情况。为了提高纤维束拔出试验的载荷-位移数据的可信度，同一类型试样的测试在同一台试验机的相近时间段内一次性完成。参照图4，图4中示出了表面涂敷了MWCNT的纤维束与对比组的载荷-位移曲线图，从图中可以明显看出，表面涂敷了MWCNT的纤维束无论是在最小位移还是在屈服位移亦或在最大位移处均获得了优于对比组的应力，显而易见地，数据表明，在纤维束表面涂敷MWCNT能够增强热塑性复合材料的界面相强度。
1.2)多壁碳纳米管(MWCNT)填充界面相力学建模
基于纤维拔出试验及微观形貌观察结果，利用纤维拔出载荷作用前后MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相损伤Le、Sh、Si、Di等参数，改进和修正前期研究中纳米填充界面相多区域“交联”模型；重点结合MWCNT填充界面相四个典型阶段中损伤形成及尺寸演化与界面相中F(纤维)、N(MWCNT)、M(树脂)的相互作用特点，建立准确的MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相力学理论、数值模型。界面相力学行为的理论研究方面，可将试验表征得到的拔出载荷作用下界面损伤的Le、Sh、Si、Di分别引入到纤维拔出载荷下纤维/基体界面相裂纹沿纤维径向和轴向扩展的表达式中，以此完成对MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相力学行为理论公式的改进和修正；采用ABAQUS多物理场软件建立界面相力学仿真模型，拟将F、N、M采用C3D8R单元分别建模，通过在不同组分之间引入表面内聚力行为单元模拟载荷作用下不同组分之间的演化行为；随后，依据试验观测数据，对所建立的界面相仿真模型进行修正和改进，以获得拔出载荷下与试验结果最吻合的仿真模型。利用上述建立的MWCNT填充界面相力学理论、数值模型，结合试验及微观形貌观察结果，挖掘拔出载荷作用下MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相性能演变特征，重点关注载荷作用下界面相中F、N、M的应力状态，澄清F、N、M、纤维分布状态与界面相损伤Le、Sh、Si、Di之间的相互作用关系，揭示载荷作用下MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相失效机理。
多壁碳纳米管(MWCNT)填充玻璃纤维/松香界面相损伤特征定量方法
在纤维拔出试验时，利用吉时利2700型电阻计原位监测纤维束(丝)拔出试验过程中的电阻信号，即可通过界面相电阻的变化实现MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相损伤的定量描述，具体的实施过程如图1所示。
2.1)纤维拔出载荷下界面相电阻信号处理
电阻计与界面相可通过涂覆在纤维两端的导电银连接，界面相的电阻测试长度可选用按照公式
Figure BDA0002553748370000081
的优化结果。
试验时测试多个平行试样，利用最终取平均值和方差的方法得到稳定的电阻信号。对电阻信号的特征提取是对MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相损伤特征进行科学描述和定量的前提。以MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相的相对电阻信号(ΔR/R0)为对象，拟采用奇异值分解降噪法对时域的ΔR/R0(相对电阻信号)进行初步降噪处理，随后利用短时傅里叶变换对ΔR/R0的A(幅值)、f(频率)、ZM(震动模式)等特征进行提取，旨在找出最能诠释界面相失效机理的信号特征及其提取方法。试验测试时，利用上述方法重点考察MWCNT填充界面相四个典型失效阶段的电阻信号特征，进一步结合所建立的MWCNT填充界面相力学理论、数值模型，挖掘ΔR/R0的A、f、ZM等特征与界面相失效机理的对应关系。
2.2)电阻信号特征与损伤特征定量关系
通过信号处理方法获得ΔR/R0的A、f、ZM等不同特征以后，可利用信号特征与损伤特征的逐一比对，获得MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相在拔出过程中的四个典型失效阶段信号特征与界面相损伤特征(Le、Sh、Si、Di)的准确关联，以此得到能够准确表达界面相损伤Le、Sh、Si、Di等参量的A、f、ZM等信号特征；同时利用所建立的MWCNT填充界面相力学模型挖掘得到的更深层次的损伤信息，将宏观电阻信号特征与界面相微细尺度损伤演化规律相映射，完成拔出载荷作用下利用界面相MWCNT电阻信号特征定量表达其损伤特征的科学设想，实现拔出载荷作用下MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相损伤Le、Sh、Si、Di的有效甄别与定量描述。
多壁碳纳米管(MWCNT)填充玻璃纤维/松香界面相损伤精准修复机理
MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相经过不同拔出载荷作用后，通过在纤维束两端施加电压，利用界面相中的MWCNT产生的电热修复界面相中的损伤。实际操作时，需按照正交实验设计方法，调整界面相外部纤维两端所施加的电压、电流等参数产生适当的电热，即可完成损伤的原位精准熔融修复，具体的实施电路如图2所示。
3.1)原位监测信号指引的界面相损伤修复
采用Instek直流电源(最大电压24V,电流4A)对MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相供电以产生电热，利用SEM、热成像仪等界面相观测手段表征界面相修复效果。实验时，重点以四个典型失效阶段的界面相损伤为对象，优化选取使得界面相损伤Le、Sh、Si、Di恰好愈合的Q(电热积累量)、V(电压)、I(电流)参数，随后开展修复后的界面相试样的拔出实验，再次优化选取最佳界面相修复电热参量；随后，结合建立的电阻信号特征(A(幅值)、f(频率)、ZM(震动模式)等)与界面相损伤特征(Le、Sh、Si、Di等)的定量关系及电热量特征(Q、V、I)与损伤特征(Le、Sh、Si、Di等)的对应关系，即可以界面相损伤特征为纽带，建立电阻信号指引的界面损伤定量修复方法，完成MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相损伤的精准修复。
3.2)多壁碳纳米管(MWCNT)填充界面相损伤熔融修复机理
为了实现MWCNT填充界面相损伤的精准修复，针对本项目MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相，开展电热作用下界面相损伤处MWCNT材料与熔融松香树脂的交互作用研究。采用SEM、FIB/SEM、热成像仪等表征手段，研究界面相损伤在特定电热(施加最佳Q、V、I参数)作用下其内部损伤处MWCNT纳米材料在松香熔融动态过程中的变化规律，并考察界面相损伤处F、N、M的二次分布状态对电热累计效应的反作用关系，以此澄清电阻信号指引的MWCNT填充玻璃纤维/松香界面相损伤熔融修复机理。
本实施例在下述方面具有创新之处：
(1)通过表征拔出载荷作用下MWCNT填充热塑性复合材料界面相损伤形成及尺寸的演化规律，建立界面损伤的力学模型，揭示其界面强度提升机制，类似研究尚未有公开文献发表；
(2)发展MWCNT填充热塑性复合材料界面相电阻信号处理方法，建立信号特征与界面相损伤特征的关联，实现其损伤特征的定量描述，这将提高热塑性复合材料性能预报的精度；
(3)开展基于MWCNT填充热塑性复合材料界面相电热的损伤定量修复方法研究，建立界面相电热与损伤特征的关联，澄清其电阻信号指引的损伤熔融修复机理，这可能是对热塑性复合材料原位修复领域的一个新贡献。
实施例二
用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法包括以下步骤：
步骤S1，制备可导电纳米溶液：
将可导电纳米材料及十二烷基硫酸钠按照9：2的质量比混合后加入去离子水，超声分散后得到浓度为5.10mg/ml的可导电纳米溶液；
步骤S2，制备可导电纳米材料涂敷纤维束：
抽取一束纤维束置入步骤S1制备得到的可导电纳米溶液中浸泡0.8min后立即取出，随后将浸泡后的纤维束置入真空烘箱中在115℃下加热6min进行一次烘干，将一次烘干后的纤维束再次置入步骤S1制备得到的可导电纳米溶液中浸泡0.8min后立即取出，将再次浸泡后的纤维束置入真空烘箱中在115℃下加热2min进行二次烘干，如此浸泡-烘干5个周期，使得纤维束表面的可导电纳米材料的含量为0.0117mg/mm；
步骤S3，制备可导电纳米材料填充界面相拔出试样：
将烘干后的一束纤维束悬空固定，在熔融状态下将热塑性树脂基体滴覆于纤维束表面，待热塑性树脂基体在常温下固化后即可得到单根可导电纳米材料填充界面相拔出试样。上述制备过程中，可采用光镜观察的手段判定并调节试样中松香树脂含量的均一性。
应该指出，为了便于后续开展电镜、热成像仪、XRD等试验测试，在步骤S3之后还设有：
步骤S4，制备可导电纳米材料填充纤维束增强半圆形树脂微滴试样：
将烘干后的一束纤维束铺设于脱膜平板上，在熔融状态下将热塑性树脂基体滴覆于纤维束表面，待热塑性树脂基体在常温下固化后将纤维束连同其上的热塑性树脂基体一并从脱膜平板上剥离脱膜即可得到单根可导电纳米材料填充纤维束增强半圆形树脂微滴试样。
本项目拟采用EB800型玻璃纤维作为增强体材料，纤维丝可从玻璃纤维布上抽取得到，该纤维布的面密度为800g/m2，单束玻璃纤维中纤维根数约为1000根，单根玻璃纤维直径为20μm，一束玻璃纤维在基体中沿径向的横截面直径为1701μm，该材料可从江苏九鼎新材料股份有限公司购得。MWCNT填充界面相试样中所用的基体为乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)(室温下熔点99℃)。多壁碳纳米管(MWCNT，-COOH功能化，碳含量>70％；表面电阻率<900S/m)填充物可从中国科学院成都有机化学有限公司购置。实验时，纤维、EVA、MWCNT无需进行进一步处理即可使用。
进一步地，在步骤S1制备可导电的纳米溶液的过程中，利用超声波分散仪在功率250W下分散130min。
进一步地，熔融的热塑性树脂基体的温度要控低于其玻璃化温度，在滴覆至纤维束上过程中，任意两根纤维束上的热塑性树脂基体的滴加量要保持相等，以使得滴在纤维束上的热塑性树脂基体要保持均匀大小。
本实施例具体操作时，可采用SEM、AFM、XPS等方法定量测定玻璃纤维表面MWCNT的分布、含量等参数。所制备的界面相电性能对本实施例MWCNT填充界面相的感知和修复功能尤为重要，导线与界面相中的MWCNT可通过涂覆在试样两侧的导电银连接，以尽量避免接触电阻带来的误差。试验时可采用下述关系评价所制备MWCNT填充玻纤/EVA界面相试样的导电性能：MWCNT填充界面相的导电性取决于MWCNT涂覆玻璃纤维束(丝)长度l、体积电阻ρ及导电面积Acoat三个参量，可用以下关系式描述：
Figure BDA0002553748370000111
使用过程中，可以利用上述关系判断界面相的长度、涂覆MWCNT的含量等参数是否最佳。
多壁碳纳米管(MWCNT)填充玻璃纤维/EVA界面相微细尺度损伤演化规律：
1.1)纤维拔出试验及微观形貌观察
可导电纳米材料填充界面相拔出试样的界面相强度采用纤维束拔出试验进行测试，记录得到的拔出载荷-位移数据，并采用界面相未填充可导电纳米材料的试样作为对比组。
在纤维束拔出试验前，将制得的可导电纳米材料填充界面相拔出试样在55℃的温度下退火处理25分钟，随后在室温下静置16天，以消除在制备过程中由于纤维、基体膨胀系数不一致而产生的界面相残余应力，并利用XRD测试确认。采用SEM和FIB/SEM对经过不同纤维拔出载荷作用前后的MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相状态开展观察。SEM重点观察界面相失效后的纤维表面树脂形貌、树脂粘着状态、表面粗糙度、强度/刚度匹配特征等参量；采用Ga+离子源对经过不同拔出载荷作用的MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相沿纤维轴向不同位置原位切割后进行观察，重点关注界面相在初始脱粘、局部脱粘、最大脱粘和完全脱粘四个不同阶段的F、MWCNT、M的分布状态及其与损伤特征(Le、Sh、Si、Di)的交互作用等情况。为了提高纤维束拔出试验的载荷-位移数据的可信度，同一类型试样的测试在同一台试验机的相近时间段内一次性完成。
1.2)多壁碳纳米管(MWCNT)填充界面相力学建模
基于纤维拔出试验及微观形貌观察结果，利用纤维拔出载荷作用前后MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相损伤Le、Sh、Si、Di等参数，改进和修正前期研究中纳米填充界面相多区域“交联”模型；重点结合MWCNT填充界面相四个典型阶段中损伤形成及尺寸演化与界面相中F、N、M的相互作用特点，建立准确的MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相力学理论、数值模型。界面相力学行为的理论研究方面，可将试验表征得到的拔出载荷作用下界面损伤的Le、Sh、Si、Di分别引入到纤维拔出载荷下纤维/基体界面相裂纹沿纤维径向和轴向扩展的表达式中，以此完成对MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相力学行为理论公式的改进和修正；采用ABAQUS多物理场软件建立界面相力学仿真模型，拟将F、N、M采用C3D8R单元分别建模，通过在不同组分之间引入表面内聚力行为单元模拟载荷作用下不同组分之间的演化行为；随后，依据试验观测数据，对所建立的界面相仿真模型进行修正和改进，以获得拔出载荷下与试验结果最吻合的仿真模型。利用上述建立的MWCNT填充界面相力学理论、数值模型，结合试验及微观形貌观察结果，挖掘拔出载荷作用下MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相性能演变特征，重点关注载荷作用下界面相中F、N、M的应力状态，澄清F、N、M、纤维分布状态与界面相损伤Le、Sh、Si、Di之间的相互作用关系，揭示载荷作用下MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相失效机理。
多壁碳纳米管(MWCNT)填充玻璃纤维/EVA界面相损伤特征定量方法
在纤维拔出试验时，利用吉时利2700型电阻计原位监测纤维束(丝)拔出试验过程中的电阻信号，即可通过界面相电阻的变化实现MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相损伤的定量描述，具体的实施过程如图1所示。
2.1)纤维拔出载荷下界面相电阻信号处理
电阻计与界面相可通过涂覆在纤维两端的导电银连接，界面相的电阻测试长度可选用按照公式
Figure BDA0002553748370000131
的优化结果。
试验时测试多个平行试样，利用最终取平均值和方差的方法得到稳定的电阻信号。对电阻信号的特征提取是对MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相损伤特征进行科学描述和定量的前提。以MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相的相对电阻信号(ΔR/R0)为对象，拟采用奇异值分解降噪法对时域的ΔR/R0进行初步降噪处理，随后利用短时傅里叶变换对ΔR/R0的A、f、ZM等特征进行提取，旨在找出最能诠释界面相失效机理的信号特征及其提取方法。试验测试时，利用上述方法重点考察MWCNT填充界面相四个典型失效阶段的电阻信号特征，进一步结合所建立的MWCNT填充界面相力学理论、数值模型，挖掘ΔR/R0的A、f、ZM等特征与界面相失效机理的对应关系。
2.2)电阻信号特征与损伤特征定量关系
通过信号处理方法获得ΔR/R0的A、f、ZM等不同特征以后，可利用信号特征与损伤特征的逐一比对，获得MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相在拔出过程中的四个典型失效阶段信号特征与界面相损伤特征(Le、Sh、Si、Di)的准确关联，以此得到能够准确表达界面相损伤Le、Sh、Si、Di等参量的A、f、ZM等信号特征；同时利用所建立的MWCNT填充界面相力学模型挖掘得到的更深层次的损伤信息，将宏观电阻信号特征与界面相微细尺度损伤演化规律相映射，完成拔出载荷作用下利用界面相MWCNT电阻信号特征定量表达其损伤特征的科学设想，实现拔出载荷作用下MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相损伤Le、Sh、Si、Di的有效甄别与定量描述。
多壁碳纳米管(MWCNT)填充玻璃纤维/EVA界面相损伤精准修复机理
MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相经过不同拔出载荷作用后，通过在纤维束两端施加电压，利用界面相中的MWCNT产生的电热修复界面相中的损伤。实际操作时，需按照正交实验设计方法，调整界面相外部纤维两端所施加的电压、电流等参数产生适当的电热，即可完成损伤的原位精准熔融修复，具体的实施电路如图2所示。
3.1)原位监测信号指引的界面相损伤修复
采用Instek直流电源(最大电压24V,电流4A)对MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相供电以产生电热，利用SEM、热成像仪等界面相观测手段表征界面相修复效果。实验时，重点以四个典型失效阶段的界面相损伤为对象，优化选取使得界面相损伤Le、Sh、Si、Di恰好愈合的Q、V、I参数，随后开展修复后的界面相试样的拔出实验，再次优化选取最佳界面相修复电热参量；随后，结合建立的电阻信号特征(A、f、ZM等)与界面相损伤特征(Le、Sh、Si、Di等)的定量关系及电热量特征(Q、V、I)与损伤特征(Le、Sh、Si、Di等)的对应关系，即可以界面相损伤特征为纽带，建立电阻信号指引的界面损伤定量修复方法，完成MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相损伤的精准修复。
3.2)多壁碳纳米管(MWCNT)填充界面相损伤熔融修复机理
为了实现MWCNT填充界面相损伤的精准修复，针对本项目MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相，开展电热作用下界面相损伤处MWCNT材料与熔融EVA树脂的交互作用研究。采用SEM、FIB/SEM、热成像仪等表征手段，研究界面相损伤在特定电热(施加最佳Q、V、I参数)作用下其内部损伤处MWCNT纳米材料在EVA熔融动态过程中的变化规律，并考察界面相损伤处F、N、M的二次分布状态对电热累计效应的反作用关系，以此澄清电阻信号指引的MWCNT填充玻璃纤维/EVA界面相损伤熔融修复机理。
参照图5中的拔出剪切载荷-位移曲线，图5示出了玻璃纤维/EVA复合材料中界面传感器的电阻变化以及无EVA涂层MWCNT在拉伸状态下的电阻变化。图中给出了两种纱线支数不同的传感器，并进行了对比，结果表明传感器的相对电阻不受应力状态的影响。
参照图6中的玻璃纤维/EVA复合材料中嵌入的界面传感器的拉伸-剪切载荷-位移曲线及电阻变化的同步反馈曲线。图中下降ΔR/R0显示了GF纤维束拉拔试验中界面厚度的下降。由于MWCNT的体积相对于试样体积影响非常小，其扩展仅局限于相间应变，因此电阻的变化可以看作是相间应变的一种度量。对于从脆性基体中拉出的纤维束，如PP、环氧树脂等，界面传感器的相对电阻随应变的增大呈增大趋势。但是，从图的剪切载荷位移曲线可以看出，电阻呈现先增大后逐渐减小的趋势。可以看出，这是由于GF/EVA界面相对于脆性矩阵的破坏机制不同造成的。第一个阻力增加对应于界面在突然拉出拉伸载荷作用下的纵向变形。随后电阻的降低是由于树脂横向堆积到界面区域，实际上增加了界面中MWCNT的密度。由于电阻与密度成反比，在拔出试验过程中电阻呈逐渐减小的趋势。
参照图7，图7示出了通过界面传感器在不同电源下产生的电加热，使试件修复前后的破损界面恢复正常。左侧图像容易观察到树脂堆积区域的存在，右侧图像损伤逐渐消除。(a)纤维束拉拔试验试件剪切荷载-位移曲线。接口被加载到一个特定的应力水平。(b)剪切荷载分别为29.58和33.76N后，恢复界面的角度趋势。P＝0.17W时通电愈合，愈合持续时间为3min，恢复角相对于图a和图b中的原始界面分别恢复43.8和27.6％。
本实施例在下述方面具有创新之处：
(1)通过表征拔出载荷作用下MWCNT填充热塑性复合材料界面相损伤形成及尺寸的演化规律，建立界面损伤的力学模型，揭示其界面强度提升机制，类似研究尚未有公开文献发表；
(2)发展MWCNT填充热塑性复合材料界面相电阻信号处理方法，建立信号特征与界面相损伤特征的关联，实现其损伤特征的定量描述，这将提高热塑性复合材料性能预报的精度；
(3)开展基于MWCNT填充热塑性复合材料界面相电热的损伤定量修复方法研究，建立界面相电热与损伤特征的关联，澄清其电阻信号指引的损伤熔融修复机理，这可能是对热塑性复合材料原位修复领域的一个新贡献。
实施例三
用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法包括以下步骤：
步骤S1，制备可导电纳米溶液：
将可导电纳米材料及十二烷基硫酸钠按照11：4的质量比混合后加入去离子水，超声分散后得到浓度为7.50mg/ml的可导电纳米溶液；
步骤S2，制备可导电纳米材料涂敷纤维束：
抽取一束纤维束置入步骤S1制备得到的可导电纳米溶液中浸泡1.5min后立即取出，随后将浸泡后的纤维束置入真空烘箱中在128℃下加热3min进行一次烘干，将一次烘干后的纤维束再次置入步骤S1制备得到的可导电纳米溶液中浸泡1.5min后立即取出，将再次浸泡后的纤维束置入真空烘箱中在128℃下加热1min进行二次烘干，如此浸泡-烘干5个周期，使得纤维束表面的可导电纳米材料的含量为0.0313mg/mm；
步骤S3，制备可导电纳米材料填充界面相拔出试样：
将烘干后的一束纤维束悬空固定，在熔融状态下将热塑性树脂基体滴覆于纤维束表面，待热塑性树脂基体在常温下固化后即可得到单根可导电纳米材料填充界面相拔出试样。上述制备过程中，可采用光镜观察的手段判定并调节试样中松香树脂含量的均一性。
应该指出，为了便于后续开展电镜、热成像仪、XRD等试验测试，在步骤S3之后还设有：
步骤S4，制备可导电纳米材料填充纤维束增强半圆形树脂微滴试样：
将烘干后的一束纤维束铺设于脱膜平板上，在熔融状态下将热塑性树脂基体滴覆于纤维束表面，待热塑性树脂基体在常温下固化后将纤维束连同其上的热塑性树脂基体一并从脱膜平板上剥离脱膜即可得到单根可导电纳米材料填充纤维束增强半圆形树脂微滴试样。
本项目拟采用EB800型玻璃纤维作为增强体材料，纤维丝可从玻璃纤维布上抽取得到，该纤维布的面密度为800g/m2，单束玻璃纤维中纤维根数约为1000根，单根玻璃纤维直径为20μm，一束玻璃纤维在基体中沿径向的横截面直径为1701μm，该材料可从江苏九鼎新材料股份有限公司购得。MWCNT填充界面相试样中所用的基体为环氧树脂(室温下熔点93℃)。多壁碳纳米管(MWCNT，-COOH功能化，碳含量>70％；表面电阻率<900S/m)填充物可从中国科学院成都有机化学有限公司购置。实验时，纤维、环氧树脂、MWCNT无需进行进一步处理即可使用。前期工作采用上述方法制备得到的玻璃纤维表面的MWCNT分散状态如图8a所示；将熔融的树脂基体滴覆纤维表面，待树脂固化后即可得到纤维束拔出试样，如图8b所示。
进一步地，在步骤S1制备可导电的纳米溶液的过程中，利用超声波分散仪在功率350W下分散100min。
进一步地，熔融的热塑性树脂基体的温度要控低于其玻璃化温度，在滴覆至纤维束上过程中，任意两根纤维束上的热塑性树脂基体的滴加量要保持相等，以使得滴在纤维束上的热塑性树脂基体要保持均匀大小。
本实施例具体操作时，可采用SEM、AFM、XPS等方法定量测定玻璃纤维表面MWCNT的分布、含量等参数。所制备的界面相电性能对本实施例MWCNT填充界面相的感知和修复功能尤为重要，导线与界面相中的MWCNT可通过涂覆在试样两侧的导电银连接，以尽量避免接触电阻带来的误差。试验时可采用下述关系评价所制备MWCNT填充玻纤/环氧树脂界面相试样的导电性能：MWCNT填充界面相的导电性取决于MWCNT涂覆玻璃纤维束(丝)长度l、体积电阻ρ及导电面积Acoat三个参量，可用以下关系式描述：
Figure BDA0002553748370000161
使用过程中，可以利用上述关系判断界面相的长度、涂覆MWCNT的含量等参数是否最佳。
多壁碳纳米管(MWCNT)填充玻璃纤维/环氧树脂界面相微细尺度损伤演化规律：
1.1)纤维拔出试验及微观形貌观察
可导电纳米材料填充界面相拔出试样的界面相强度采用纤维束拔出试验进行测试，记录得到的拔出载荷-位移数据，并采用界面相未填充可导电纳米材料的试样作为对比组。
在纤维束拔出试验前，将制得的可导电纳米材料填充界面相拔出试样在45℃的温度下退火处理35分钟，随后在室温下静置12天，以消除在制备过程中由于纤维、基体膨胀系数不一致而产生的界面相残余应力，并利用XRD测试确认。采用SEM和FIB/SEM对经过不同纤维拔出载荷作用前后的MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相状态开展观察。SEM重点观察界面相失效后的纤维表面树脂形貌、树脂粘着状态、表面粗糙度、强度/刚度匹配特征等参量；采用Ga+离子源对经过不同拔出载荷作用的MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相沿纤维轴向不同位置原位切割后进行观察，重点关注界面相在初始脱粘、局部脱粘、最大脱粘和完全脱粘四个不同阶段的F、MWCNT、M的分布状态及其与损伤特征(Le、Sh、Si、Di)的交互作用等情况。为了提高纤维束拔出试验的载荷-位移数据的可信度，同一类型试样的测试在同一台试验机的相近时间段内一次性完成。
1.2)多壁碳纳米管(MWCNT)填充界面相力学建模
基于纤维拔出试验及微观形貌观察结果，利用纤维拔出载荷作用前后MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相损伤Le、Sh、Si、Di等参数，改进和修正前期研究中纳米填充界面相多区域“交联”模型；重点结合MWCNT填充界面相四个典型阶段中损伤形成及尺寸演化与界面相中F、N、M的相互作用特点，建立准确的MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相力学理论、数值模型。界面相力学行为的理论研究方面，可将试验表征得到的拔出载荷作用下界面损伤的Le、Sh、Si、Di分别引入到纤维拔出载荷下纤维/基体界面相裂纹沿纤维径向和轴向扩展的表达式中，以此完成对MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相力学行为理论公式的改进和修正；采用ABAQUS多物理场软件建立界面相力学仿真模型，拟将F、N、M采用C3D8R单元分别建模，通过在不同组分之间引入表面内聚力行为单元模拟载荷作用下不同组分之间的演化行为；随后，依据试验观测数据，对所建立的界面相仿真模型进行修正和改进，以获得拔出载荷下与试验结果最吻合的仿真模型。利用上述建立的MWCNT填充界面相力学理论、数值模型，结合试验及微观形貌观察结果，挖掘拔出载荷作用下MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相性能演变特征，重点关注载荷作用下界面相中F、N、M的应力状态，澄清F、N、M、纤维分布状态与界面相损伤Le、Sh、Si、Di之间的相互作用关系，揭示载荷作用下MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相失效机理。
多壁碳纳米管(MWCNT)填充玻璃纤维/环氧树脂界面相损伤特征定量方法
在纤维拔出试验时，利用吉时利2700型电阻计原位监测纤维束(丝)拔出试验过程中的电阻信号，即可通过界面相电阻的变化实现MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相损伤的定量描述，具体的实施过程如图1所示。
2.1)纤维拔出载荷下界面相电阻信号处理
电阻计与界面相可通过涂覆在纤维两端的导电银连接，界面相的电阻测试长度可选用按照公式
Figure BDA0002553748370000181
的优化结果。
试验时测试多个平行试样，利用最终取平均值和方差的方法得到稳定的电阻信号。对电阻信号的特征提取是对MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相损伤特征进行科学描述和定量的前提。以MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相的相对电阻信号(ΔR/R0)为对象，拟采用奇异值分解降噪法对时域的ΔR/R0进行初步降噪处理，随后利用短时傅里叶变换对ΔR/R0的A、f、ZM等特征进行提取，旨在找出最能诠释界面相失效机理的信号特征及其提取方法。试验测试时，利用上述方法重点考察MWCNT填充界面相四个典型失效阶段的电阻信号特征，进一步结合所建立的MWCNT填充界面相力学理论、数值模型，挖掘ΔR/R0的A、f、ZM等特征与界面相失效机理的对应关系。
2.2)电阻信号特征与损伤特征定量关系
通过信号处理方法获得ΔR/R0的A、f、ZM等不同特征以后，可利用信号特征与损伤特征的逐一比对，获得MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相在拔出过程中的四个典型失效阶段信号特征与界面相损伤特征(Le、Sh、Si、Di)的准确关联，以此得到能够准确表达界面相损伤Le、Sh、Si、Di等参量的A、f、ZM等信号特征；同时利用所建立的MWCNT填充界面相力学模型挖掘得到的更深层次的损伤信息，将宏观电阻信号特征与界面相微细尺度损伤演化规律相映射，完成拔出载荷作用下利用界面相MWCNT电阻信号特征定量表达其损伤特征的科学设想，实现拔出载荷作用下MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相损伤Le、Sh、Si、Di的有效甄别与定量描述。
多壁碳纳米管(MWCNT)填充玻璃纤维/环氧树脂界面相损伤精准修复机理
MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相经过不同拔出载荷作用后，通过在纤维束两端施加电压，利用界面相中的MWCNT产生的电热修复界面相中的损伤。实际操作时，需按照正交实验设计方法，调整界面相外部纤维两端所施加的电压、电流等参数产生适当的电热，即可完成损伤的原位精准熔融修复，具体的实施电路如图2所示。
3.1)原位监测信号指引的界面相损伤修复
采用Instek直流电源(最大电压24V,电流4A)对MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相供电以产生电热，利用SEM、热成像仪等界面相观测手段表征界面相修复效果。实验时，重点以四个典型失效阶段的界面相损伤为对象，优化选取使得界面相损伤Le、Sh、Si、Di恰好愈合的Q、V、I参数，随后开展修复后的界面相试样的拔出实验，再次优化选取最佳界面相修复电热参量；随后，结合建立的电阻信号特征(A、f、ZM等)与界面相损伤特征(Le、Sh、Si、Di等)的定量关系及电热量特征(Q、V、I)与损伤特征(Le、Sh、Si、Di等)的对应关系，即可以界面相损伤特征为纽带，建立电阻信号指引的界面损伤定量修复方法，完成MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相损伤的精准修复。
3.2)多壁碳纳米管(MWCNT)填充界面相损伤熔融修复机理
为了实现MWCNT填充界面相损伤的精准修复，针对本项目MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相，开展电热作用下界面相损伤处MWCNT材料与熔融环氧树脂树脂的交互作用研究。采用SEM、FIB/SEM、热成像仪等表征手段，研究界面相损伤在特定电热(施加最佳Q、V、I参数)作用下其内部损伤处MWCNT纳米材料在环氧树脂熔融动态过程中的变化规律，并考察界面相损伤处F、N、M的二次分布状态对电热累计效应的反作用关系，以此澄清电阻信号指引的MWCNT填充玻璃纤维/环氧树脂界面相损伤熔融修复机理。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，制备可导电纳米溶液：
将可导电纳米材料及十二烷基硫酸钠按照9～11：2～4的质量比混合后加入去离子水，超声分散后得到浓度为5.10～7.50mg/ml的可导电纳米溶液；
步骤S2，制备可导电纳米材料涂敷纤维束：
抽取一束纤维束置入步骤S1制备得到的可导电纳米溶液中浸泡0.8～1.5min后立即取出，随后将浸泡后的纤维束置入真空烘箱中在115～128℃下加热3～6min进行一次烘干，将一次烘干后的纤维束再次置入步骤S1制备得到的可导电纳米溶液中浸泡0.8～1.5min后立即取出，将再次浸泡后的纤维束置入真空烘箱中在115～128℃下加热1～3min进行二次烘干，如此浸泡-烘干至少两个周期，使得纤维束表面的可导电纳米材料的含量为0.0117～0.0313mg/mm；
步骤S3，制备可导电纳米材料填充界面相拔出试样：
将烘干后的一束纤维束悬空固定，在熔融状态下将热塑性树脂基体滴覆于纤维束表面，待热塑性树脂基体在常温下固化后即可得到单根可导电纳米材料填充界面相拔出试样。
2.如权利要求1所述的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，其特征在于，在步骤S3之后还设有：
步骤S4，制备可导电纳米材料填充纤维束增强半圆形树脂微滴试样：
将烘干后的一束纤维束铺设于脱膜平板上，在熔融状态下将热塑性树脂基体滴覆于纤维束表面，待热塑性树脂基体在常温下固化后将纤维束连同其上的热塑性树脂基体一并从脱膜平板上剥离脱膜即可得到单根可导电纳米材料填充纤维束增强半圆形树脂微滴试样。
3.如权利要求1或2所述的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，其特征在于，所述纤维束由碳纤维、玻璃纤维、硼纤维及碳化硅纤维中的任意一种制成。
4.如权利要求1或2所述的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，其特征在于，所述可导电纳米材料为多壁碳纳米管(MWCNT)及石墨烯中的任意一种；所述热塑性树脂基体为松香树脂及、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)及环氧树脂中的任意一种。
5.如权利要求1所述的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，其特征在于，在步骤S1制备可导电的纳米溶液的过程中，利用超声波分散仪在功率250～350W下分散100～130min。
6.如权利要求1或2所述的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，其特征在于，熔融的热塑性树脂基体的温度要控低于其玻璃化温度，在滴覆至纤维束上过程中，任意两根纤维束上的热塑性树脂基体的滴加量要保持相等。
7.如权利要求1所述的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，其特征在于，可导电纳米材料填充界面相拔出试样的界面相强度采用纤维束拔出试验进行测试并采用界面相未填充可导电纳米材料的试样作为对比组；在纤维束拔出试验过程中采用电阻计进行原位监测纤维束上的界面相电阻信号，通过界面相电阻变化来定量描述界面相损伤程度。
8.如权利要求7所述的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，其特征在于，在纤维束拔出试验前，将制得的可导电纳米材料填充界面相拔出试样在45～55℃的温度下退火处理25～35分钟，随后在室温下静置12～16天，以消除在制备过程中由于纤维、基体膨胀系数不一致而产生的界面相残余应力。
9.如权利要求7所述的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，其特征在于，可导电纳米材料填充界面相拔出试样在经过纤维束拔出试验后，通过在纤维束两端施加电压，即可利用纳米材料的导电性产生的电热来修复界面相的损伤。
10.如权利要求7所述的用于提升热塑性复合材料界面相强度的方法，其特征在于，为了提高纤维束拔出试验的载荷-位移数据的可信度，同一类型试样的测试在同一台试验机的相近时间段内一次性完成。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112373070A (zh) * 2020-11-17 2021-02-19 华东交通大学 一种具有原位监测功能的t形接头构件及其制备方法
CN113085229A (zh) * 2021-04-22 2021-07-09 同济大学 碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置及方法
CN113588371A (zh) * 2021-08-07 2021-11-02 江西理工大学 不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090015272A1 (en) * 2004-01-09 2009-01-15 Sheffield Univeristy Of The Self-healing composite material
US20160024262A1 (en) * 2013-03-14 2016-01-28 The Board Of Regents, The University Of Texas System Method of fabricating carbon nanotube sheet scrolled fiber reinforced polymer composites and compositions and uses thereof
CN109206855A (zh) * 2018-09-30 2019-01-15 吉林大学 一种树脂基纤维增强复合材料及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090015272A1 (en) * 2004-01-09 2009-01-15 Sheffield Univeristy Of The Self-healing composite material
US20160024262A1 (en) * 2013-03-14 2016-01-28 The Board Of Regents, The University Of Texas System Method of fabricating carbon nanotube sheet scrolled fiber reinforced polymer composites and compositions and uses thereof
CN109206855A (zh) * 2018-09-30 2019-01-15 吉林大学 一种树脂基纤维增强复合材料及其制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YANG BIN等: "Simultaneously enhancing the IFSS and monitoring the interfacial stress state of GF/epoxy composites via building in the MWCNT interface sensor", 《COMPOSITES PART A》, no. 112, 5 June 2018 (2018-06-05), pages 161 - 167 *
杨斌等: "MWCNT改性多功能纤维/基本界面：强度提升、状态感知与原位修复", 《2018年全国固体力学学术会议》, 25 November 2018 (2018-11-25) *
杨斌等: "多壁碳纳米管界面传感器及其在纤维缠绕压力容器原位监测中的应用", 《复合材料学报》, vol. 37, no. 2, 29 February 2020 (2020-02-29), pages 336 - 344 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112373070A (zh) * 2020-11-17 2021-02-19 华东交通大学 一种具有原位监测功能的t形接头构件及其制备方法
CN113085229A (zh) * 2021-04-22 2021-07-09 同济大学 碳纤维增强热固性树脂基复合材料分层损伤修复装置及方法
CN113588371A (zh) * 2021-08-07 2021-11-02 江西理工大学 不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法
CN113588371B (zh) * 2021-08-07 2024-05-03 江西理工大学 不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法

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