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对于纤维增强聚合物基复合材料而言，纤维与基体的界面黏结性能在载荷传递过程中发挥重要作用。有研究表明，复合材料的宏观力学性能在很大程度上取决于界面黏结性能[1]。与热固性复合材料相同，在使用时，热塑性复合材料常常也会被应用于苛刻环境中，例如：在水环境中（雨水、海水浸泡环境等），由于纤维和基体组分之间的热膨胀系数不匹配而引起的应力集中往往会在界面相中形成大量微裂纹[2-3]。微裂纹在外载荷作用下的扩展会导致热塑性复合材料结构突发失效，严重威胁其在役安全。因此，及时发现并进一步修复这些存在于界面相中的微裂纹，可及时避免结构损伤，保障其在役安全[4]。
原位测量技术是指利用一定的试验手段，在原位状态下进行测试，以便获得可以反映工程体实际工作状态的代表性物理及力学指标，进而依据理论或经验评定工程体的工程性能或状态。服役环境中，对纤维/基体界面相的原位测量能够及时获取界面相性能数据，把握其演变规律。过去几十年里，国内外学者对复合材料中早期微裂纹萌生及传播的测量做了大量研究工作，其发展过程可分为四个阶段：（1）基于应变片的测量技术。早期工作中主要采用诸如应变片一类的传感器对复合材料进行测量，该类传感技术只能够获取复合材料既定方向的应变，且所测量的仅是表层应变值[5]，同时在使用过程中存在应变片和被测件脱粘的风险[6]。（2）复合材料自测量技术。非侵入的传感形式不会损害复合材料结构的完整性，且能够实时在线提供结构损伤信息。如国外Yoshiyasu等[7]和Garcea等[8]利用碳纤维自身的导电性研究了碳纤维复合材料结构的健康监测技术；国内哈工大李惠[9]团队也做了一些基于导电碳纤维的自测量复合材料的研究。但是，该方法局限于导电纤维，对不导电纤维增强复合材料不适用。（3）基于埋入传感器的测量技术。国内外已有大量工作[10, 11]报道了利用在复合材料中埋入光纤光栅的方法来测量结构损伤。通过将变形产生的应变转换成光学信号，光栅技术可以很精确的获取复合材料内部的应变场。然而，光纤对于环境（潮湿、温度等）比较敏感，服役环境下很难获取准确的测量信号。（4）基于填充材料的原位测量技术。在不具备传感功能的复合材料中添加诸如导电、压电、形状记忆等功能材料实现对复合材料的原位测量是一种新兴技术。例如，对完全绝缘的复合材料，可通过涂覆技术在树脂基体中建立传感网络[12]，以此来测量材料内部裂纹的起始与扩展。基于此，北航的刘刚团队[13]和帕特雷大学的Kostopoulos等[14]分别研究了石墨烯填充复合材料的力学性能，发现利用填充石墨烯的技术可以大大提升复合材料的力学性能。
原位愈合是恢复聚合物基材料固有性能的重要手段。目前，复合材料裂纹修复技术主要有微胶囊、中空纤维、微血管网络等几大类[15]，但上述方法未考虑环境影响[16-18]。碳纳米管具有比表面积大、电子迁移率优异、易表面修饰和功能化等特性，在材料原位监测领域备受到很大关注[19-20]。对于热固性复合材料而言，人们通过将聚丙烯[21]，聚乙二醇（PEGMA）[22]，乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）[23]等热塑性颗粒嵌入到基体中以修复裂纹。Pingkarawat等[23]使用热塑性聚乙烯-甲基丙烯酸对碳纤维/环氧层合板分层裂纹进行了修复。Lee等[24]研究了修复后纤维增强环氧复合材料的压缩和拉伸性能。Kling等[25]开发了一种中空玻璃纤维，用于修复其增强的环氧树脂基复合材料。Guadagn等[26]利用环氧树脂和多面体寡聚硅氧烷之间的相互作用修复了热固性复合材料。Post等[27]对带有热塑性预聚体的复合材料的分层情况进行了检测。此外，为了更深入地研究热塑性复合材料的愈合机制，Luan等[28]针对石墨烯-碳纳米管增强热塑性聚氨酯复合材料的愈合性能进行了研究。
虽然原位测量及原位愈合技术已经有了较为广泛且深入的发展，但是结合原位测量及原位愈合技术，实现复杂环境中复合材料结构功能一体化设计与制造，仍需要进行深入的研究。为此，本文针对松香树脂基纤维增强复合材料开展复杂环境中复合材料结构功能一体化界面相设计与制造研究。松香是一种天然热塑性树脂，为绿色环保型材料，具有廉价、易取材的优势。近年来对松香树脂的研究受到国内外学者的广泛关注，但作为基体使用时，由于松香树脂分子链长，很难与纤维形成良好的化学粘合效果[29-30]，导致纤维与松香基体之间的界面结合能力弱。通过在纤维与松香基体之间加入多壁碳纳米管（MWCNT），借助MWCNT的桥联效应有望提升纤维/基体的界面粘结强度；进一步，利用MWCNT的电热行为熔融松香树脂，有望愈合界面损伤[31]。基于此，本文重点开展了水浸泡环境对MWCNT填充热塑性复合材料界面监测及修复功能的影响研究。
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MWCNT购自中国成都有机化工有限公司。十二烷基硫酸纳（SDS）购自阿拉丁试剂公司。热塑性松香与EVA树脂、玻璃纤维布（面密度800 g/m2）、去离子水购自哈尔滨凯美思科技有限公司。
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采用纤维束拔出实验评价连续玻璃纤维增松香树脂基复合材料的界面性能。为了提高MWCNT的分散性，需在其分散时加入表面活性剂十二烷基硫酸纳（SDS）；MWCNT与表面活性剂按照质量比100:30混合在40 mL去离子水中，随后采用超声波分散仪分散共混物。树脂基体为热塑性松香与EVA树脂（质量比1∶1）共混树脂基体。MWCNT涂覆纤维表面的具体实验过程为：首先，从玻璃纤维布中提取单向玻璃纤维束（单丝直径20 μm）；随后将75 mg SDS溶于40 mL的去离子水中形成表面活性剂水溶液，然后分别加入50 mg（1.25 mg/mL）、100 mg（2.50 mg/mL）、150 mg（3.75 mg/mL）、200 mg（5.00 mg/mL）、250 mg（6.25 mg/mL）以及300 mg（7.50 mg/mL）的MWCNT，采用超声波分散设备以300 W的恒定输出功率分别分散30 min、60 min、90 min以及120 min。随后，将纤维丝束放入制备好的MWCNT溶液中分别浸泡1次、2次、3次、4次以及5次，每次浸泡时间为5 s，然后将浸渍后的纤维取出并在105 ℃下加热5 min蒸发水分，得到MWCNT涂覆的玻璃纤维束，即初始的MWCNT界面传感器，如图1所示。
图 1 MWCNT涂覆玻璃纤维束
Figure 1. MWCNT coated glass fiber yarn.
MWCNT界面传感器的导电性在很大程度上取决于纤维表面形成的MWCNT导电网络的完整度，而MWCNT溶液的质量浓度（N）、玻璃纤维束在溶液中的浸泡次数（n）和MWCNT溶液的超声分散时间（t）对界面传感器中导电网络的形成起重要作用。因此，在MWCNT传感器应用前，需要首先研究MWCNT界面传感器的制备工艺参数。
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上述制备得到的MWCNT填充玻纤/热塑性树脂基体拔出试件的吸湿试验在恒温水箱中进行，浸泡温度分别为25 ℃和50 ℃，并定期从水环境试验箱中取样。在常温常湿环境下放置5 d后，对纤维束拔出试样进行称重，以计算其吸湿量（W）：
式中，m0和m'分别为初始质量及放置几天后拔出试样的质量。试件浸泡前，纤维拔出试件首先在40 ℃环境中干燥24 h。浸泡过程中，使用高精度天平（0.001 g）测试件质量。
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纤维束拔出试件的实验示意图如图2所示。采用镂空金属模具制备尺寸为7 mm×7 mm×4 mm的纤维束拔出试件。首先，将涂覆MWCNT的玻璃纤维束放置于120 ℃的恒温电热板上，将加热后的树脂注入金属模具空腔内，随后采用以下工艺固化：120 ℃下恒温2 h，保证纤维完全渗透；80 ℃下恒温1 h，随后冷却至室温；最终脱模得到7 mm×7 mm×4 mm的纤维束拔出试件。拔出试验过程中，固定树脂基体，将纤维束与加载单元相连；通过在纤维束两端涂覆导电银浆降低其与导线之间的接触电阻；采用吉时利4200电阻记录仪记录MWCNT传感器在纤维拔出过程中的相对电阻变化。在原位修复实验中，通过在MWCNT两端施加电压愈合界面损伤，每次愈合时间为3 min，电功率设定为0.18 W。最后利用光学显微镜观察愈合前后界面区的形貌。
图 2 玻璃纤维束拔出实验示意图
Figure 2. Diagrammatic sketch of fiber yarn pull-out test setup.
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MWCNT的分散效果决定了它对复合材料性能的影响程度。MWCNT作为一种导电性优良的纳米材料，具有较大长径比，但易因为纳米效应导致分子团聚。因此其用作传感器的导电性严重依赖于分散效果。为了表征MWCNT溶液浓度对所制备界面传感器性能的影响，图3给出了MWCNT界面传感器的电阻与MWCNT溶液浓度和测量距离的关系。其中，MWCNT界面传感器的电阻可通过式（2）计算得到[32]：
图 3 导电性与MWCNT溶液质量浓度的关系
Figure 3. Relationship between conductivity and mass concentrations of MWCNT solution
式中，R为MWCNT界面传感器的电阻值（Ω），ρ为MWCNT的体积电阻（Ω），l为所测玻璃纤维束的长度（mm），A为涂覆MWCNT玻璃纤维束的横截面积（mm2）。
通过式（2）可以看出，在纤维束数量一定时，玻璃纤维束的横截面积A为定值；在MWCNT溶液质量浓度给定的条件下，其体积电阻也是定值。因此，MWCNT界面传感器的电阻值与测量距离呈线性关系。一旦在纤维束表面涂上一层薄而均匀的涂层材料，A随着MWCNT质量浓度的增加而线性增加，即MWCNT沿着玻璃纤维束长度方向均匀分布[33]。实验结果也验证了上述理论，如图3所示，当MWCNT质量浓度不同时，所制备界面传感器的电阻随着测量间距的增加而增加，其变化关系几乎成正比。这也进一步证实了本文所采用的工艺可将MWCNT均匀地涂覆在玻璃纤维表面。均匀分布的MWCNT对于形成连续稳定的导电路径至关重要。此外，当测量间距一定时，传感器的电阻值随着MWCNT溶液质量浓度的增加而减小。这是由于MWCNT溶液质量浓度的增加会导致MWCNT附着量的增加，从而更有利于电荷转移。但是，当MWCNT溶液质量浓度为6.25 mg/mL和7.50 mg/mL时，在不同间距下测量的电阻数值非常接近，表明导电网络的导电性已经趋于饱和，进一步增加溶液的质量浓度并不能增加MWCNT的导电性。
图4为在不同质量浓度MWCNT溶液浸时玻璃纤维束的SEM显微形貌图。可以看出，当溶液质量浓度为1.25 mg/mL时，由于浓度较低，玻璃纤维束与对照组的微观形貌差别较小。随着MWCNT溶液质量浓度的增加，附着在玻璃纤维表面的MWCNT量不断增加，且MWCNT的分布较为均匀。直到质量浓度为6.25 mg/mL和7.5 mg/mL时，纤维被完全包覆。结合MWCNT界面传感器的电阻测量结果可以看出，质量浓度为6.25 mg/mL时纤维表面的导电层厚达到饱和。因此，本文制备界面传感器时采用的MWCNT溶液质量浓度为6.25 mg/mL。
图 4 MWCNT界面传感器的微观形貌
Figure 4. Morphology of the MWCNT interface sensor
玻璃纤维束的浸泡次数和MWCNT溶液的超声分散时间同样是决定MWCNT界面传感器性能的重要参数。MWCNT界面传感器的电阻与浸泡次数和分散时间的变化关系如图5所示。图5（a）所示MWCNT界面传感器电阻与浸泡次数的影响关系，可以看出，浸泡2次时电阻表现出了明显的下降，而当浸泡次数为3~5次时，电阻值变化较小，表明增加浸泡次数对MWCNT界面传感器的导电性影响较小。图5（b）显示出MWCNT界面传感器的导电性随分散时间的变化关系。从图中可以发现，MWCNT界面传感器的电阻值随着分散时间的增加而减小，而分散时间为90 min和120 min时达到了几乎相同的数值。这一实验结果表明，当t>90 min时，MWCNT界面传感器的电阻趋于稳定，增加分散时间并不会增加MWCNT界面传感器的导电性。
图 5 MWCNT界面传感器的电阻变化规律：（a）电阻与浸泡次数的关系（N=6.25 mg/mL，时间t=120 min），（b）电阻与分散时间的关系（N=6.25 mg/mL，浸泡5次）
Figure 5. Resistance of the MWCNT interface sensor's: (a) Relation between the resistance and immersion times (N= 6.25 mg/mL, t=120 min); (b) Relation between the resistance and dispersion times (N= 6.25 mg/mL, immersion for 5 times)
基于以上结果，MWCNT界面传感器的最佳制备参数为溶液质量浓度6.25 mg/mL，浸泡4次，分散120 min。
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基于最佳制备参数制备带有MWCNT界面传感器的GF/EVA-松香复合材料，并对其进行吸湿行为开展研究。图6示出了不同试件在900 h的浸水试验过程中质量随时间的变化。由吸湿结果可知，不同类型试件的质量随着时间的增加均表现出逐渐增加的趋势，在达到饱和吸水率后维持不变。不同样品在50 ℃水浴环境中均比在25 ℃水浴环境中表现出更快的吸湿速率[34]。由于复合材料不同相之间界面性质的不同，纤维增强复合材料较纯聚合物基体表现出更快的质量增加趋势。对于纯聚合物基体而言，其质量的增加源于水分子在聚合物分子链之间的不断扩散：水分子可以与聚合物分子链以自由态或结合态存在[35]。而对于纤维增强树脂而言，这里存在另一种机制，即水在界面中的扩散和储存[36]。通过对比MWCNT处理前后纤维拔出试件，可以就界面对吸水率的影响进行评价。以50 ℃浸泡试件为例，GF/EVA-松香复合材料饱和增重2.4%，而MWCNT-GF/EVA-松香复合材料饱和增重则为2.1%。因此，界面在复合材料失效进程中发挥着重要的作用。一方面，MWCNT可以填充到界面区域中无定形的基体分子链之间。由于界面附近固有的空隙被水占据，因此MWCNT-GF/EVA-松香复合材料的吸湿率较低；另一方面，从吸湿动力学角度，基体与纤维之间存在的MWCNT具有降低水扩散速度的作用。这是因为聚合物中的无定形区域被MWCNT填充，而水分子必须绕过MWCNT流动导致了渗透路径的增加。
图 6 纤维拔出试件在25 ℃和50 ℃水环境中的吸湿行为
Figure 6. Water absorption behavior of fiber bundle pull-out specimens at 25 ℃ and 50 ℃
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图7给出了在纤维束拔出过程中得到的GF/EVA-松香复合材料的剪切载荷-位移曲线。由实验结果可知，随着位移的增加，剪切载荷呈现出上升的趋势。图8给出了最大拔出载荷随浸泡时间的变化规律，在25 ℃水浸泡4 d时，GF/EVA-松香复合材料的剪切载荷呈现出上升趋势，随后逐渐下降。这是由于纤维和基体之间热膨胀系数不同引起的。1~4 d浸泡中，固化应力的释放，剪切载荷增加，随着水分子向界面的扩散，剪切载荷降低。而对于浸泡在50 ℃水中的GF/EVA-松香复合材料，其剪切破坏载荷随浸泡时间的增加而下降。如前所述，这主要是由于基体分子链在50 ℃水中溶胀造成的。对于MWCNT-GF/EVA-松香复合材料而言，浸泡前的初始剪切破坏载荷为70.8 N。当浸泡时间超过2 d后，其剪切破坏载荷急剧下降，在51.8 N附近出现波动，直到浸泡试验结束（如图8(b)所示）。表1列出了两个试件在不同浸泡时间和浸泡温度下的剪切失效载荷对应的位移数据。
Immersion time/d Displacement/mm GF/EVA-Colophony, 25 ℃ GF/EVA-Colophony, 50 ℃ MWCNT-GF/EVA-Colophony, 25 ℃ MWCNT-GF/EVA-Colophony, 50 ℃ 0 3.97±0.28 3.97±0.28 3.92±0.13 3.92±0.15 2 3.81±0.05 3.96±0.14 1.79±0.38 2.75±0.21 4 3.72±0.05 4.01±0.06 2.25±0.12 2.20±0.33 6 3.75±0.07 4.06±0.13 2.46±0.11 1.99±0.12 8 3.85±0.06 3.91±0.05 2.13±0.32 3.87±0.14 表 1 拔出实验中剪切失效载荷对应的位移数据
Table 1. Displacement at the shear failure load in pull-out test
图 7 GF/EVA-松香复合材料在不同水温中的剪切载荷-位移曲线
Figure 7. Shear load-displacement curve of GF/EVA-Colophony composites as the function of immersion time at different water temperatures
图 8 剪切破坏载荷随浸泡时间的变化规律
Figure 8. Failure shear load as the function of immersion time
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图9给出了纤维拔出试验期间记录得到的剪切载荷—位移曲线，并给出了相对电阻的变化。图9(a)中的试件是未经水浸泡的MWCNT-GF/EVA-松香复合材料，而图9(b)和图9(c)中的试件分别是在25 ℃、50 ℃水浴环境中浸泡8d的MWCNT-GF/EVA-松香复合材料。通过检测相对电阻的变化，可以研究界面在纤维束拔出试验过程中的损伤过程。对于图9(a)中的试件而言，初始测试时其相对电阻随着载荷的增加首先呈现降低的趋势，而后随着载荷—位移曲线的增加，相对电阻又表现出增加趋势，直至试验结束。对于在25 ℃的水浴环境中浸泡的试件，其相对电阻随剪切载荷—位移曲线呈下降趋势（如图9(b)所示）。图9(a)~(c)中相对电阻变化的差异是由聚合物基体浸泡膨胀造成的，无浸泡试件的拔出会在界面区域形成微裂纹，微裂纹的存在对MWCNT形成的导电通路带来了不利影响，进一步导致了拔出测试中电阻的增加。随着聚合物的膨胀，界面中MWCNT的密度增大。与图9(b)不同的是，图9(c)中电阻的变化随剪切载荷—位移曲线的增大波动较大，这是由于聚合物分子链断裂而无法包裹纤维表面的MWCNT导致的。
图 9 MWCNT-GF/EVA-松香复合材料在25 ℃/50 ℃水中浸泡8 d后的剪切载荷-位移及相应的原位监测阻力曲线
Figure 9. Shear load-displacement with the corresponding in-situ monitoring resistance curve in MWCNT-GF/EVA-Colophony composites before and after immersing in 25 ℃/50 ℃ water for 8 d
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图10是MWCNT-GF/EVA-松香界面在25 ℃的水浴环境中浸泡后的光学图像。从图中可以看出，裂纹愈合后，纤维束周围的EVA-松香基体呈现出一种非常光滑的状态，这是因为在纤维拔出试验过程中形成的界面损伤已愈合。对于水浸泡后的试件，由于纤维束附近的基体发生溶胀，导致基体内的纤维束非常明显。但是，本文所用的松香树脂的模量在常温下较高而在修复温度下模量极低，从而使得松香基体在加热后表现出较好的流动性，进而实现结构的修复和完整性[37]。因此，在MWCNT传感器的电热作用下，树脂熔融并逐渐覆盖并填充纤维附近的微裂纹，使基体表面重新变得光滑。图11给出了在50 ℃的水浴环境中浸泡不同时间的试件愈合前后的界面微观形貌。与图10相比，MWCNT-GF/EVA-松香愈合修复前后的形貌之间无显著差异，但是修复后界面周围的损伤消失，表明该修复方法同样适用于MWCNT-GF/EVA-松香的水浸泡界面损伤愈合。
图 10 25 ℃水浴环境中浸泡不同时间愈合前后界面的微观形貌
Figure 10. Microstructure of the interface before and after healing, and the specimens were immersed in 25 ℃ for various days
图 11 50 ℃水浴环境中浸泡不同时间愈合前后界面的微观形貌
Figure 11. Microstructure of the interface before and after healing, and the specimens were immersed in 50 ℃ for various days
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（1）MWCNT界面传感器的导电性能受到MWCNT溶液质量浓度、超声分散时间和浸泡次数的影响，当三者分别为6.25 mg/mL、2 h和4次时，可以制备出性能最佳的MWCNT界面传感器。
（2）纤维束拔出试件的吸水率符合Fickian定律，界面上存在的MWCNT可以降低饱和吸水率。
（3）无MWCNT存在的样品在25 ℃和50 ℃水浴环境中的界面剪切强度表现出不同的变化趋势，MWCNT界面传感器可以监测浸泡前后纤维拔出试验中形成的损伤情况。
（4）不同的电阻变化趋势表明，浸水条件对不同类型界面的损伤机理不同，利用MWCNT界面传感器产生的电热能够对界面损伤进行有效修复。
MWCNT界面传感器在热塑性复合材料界面监测及自我修复中的应用
Application of MWCNT Interfacial Sensor in in-situ Monitoring and Self-healing of Thermoplastic Composites
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摘要: 采用纤维/基体界面相填充多壁纳米管（MWCNT）技术，探讨水浸泡前后热塑性复合材料界面损伤的原位监测及修复方法。首先，研究了具有最佳性能的MWCNT界面传感器制备方法，确定其最佳工艺参数，并将其植入到纤维/基体界面相中；其次，将试样浸泡在不同温度的水中，并研究界面相的吸水行为；再次，开展准静态加载条件下纤维束拔出实验，利用MWCNT的电阻变化原位监测界面相在拔出载荷下的失效过程；最后，通过在界面相中MWCNT的两端施加电压产生电热，原位熔融修复拔出过程中形成的界面损伤。研究结果表明所采用的方法能够得到集抗吸水、原位监测、原位修复功能于一体的多功能热塑性复合材料纤维/基体界面相。该方法可为水浸泡环境中热塑性复合材料的服役安全保障问题提供指导。Abstract: In recent years, the development and application of fiber-reinforced thermoplastic resin matrix composites with environmentally friendly and high toughness characteristics have received considerable attention. The fiber/matrix interface bonding properties of thermoplastic composites play an important role in load transfer. However, the water immersion environment can easily cause fiber/matrix interface damage, which seriously threatens its service safety. This article intends to introduce multi-walled nanotube (MWCNT) into the fiber/matrix interface phase in order to explore the in-situ monitoring and repair methods of the interface damage of the thermoplastic composite before and after water immersion. First, the preparation method of the MWCNT interface sensor with the best electrical conductivity is experimentally studied to determine the optimal process parameters and introduce the MWCNT into the fiber/matrix interface; and then, the samples are immersed in water at different temperatures to investigate the water absorption behavior of the interface phase. After that, the fiber bundle pullout experiment under the quasi-static loading condition is carried out to in-situ monitor the failure process of the interface phase under the pull-out load according to the resistance change of MWCNT sensor. Finally, the interface damage formed during the pull-out process is repaired by in-situ melting using the applied voltage. The results show that the method used in this paper can obtain a multifunctional thermoplastic composite fiber/matrix interface phase that integrates water absorption resistance, in-situ monitoring, and in-situ repair functions. The proposed method provides guidance for the safety of thermoplastic composites in the service of water-immersed environment.
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Key words:
- thermoplastic composites /
- interfacial sensor /
- MWCNT /
- water immersion /
- mechanical properties
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图 3 导电性与MWCNT溶液质量浓度的关系
Figure 3. Relationship between conductivity and mass concentrations of MWCNT solution
图 5 MWCNT界面传感器的电阻变化规律：（a）电阻与浸泡次数的关系（N=6.25 mg/mL，时间t=120 min），（b）电阻与分散时间的关系（N=6.25 mg/mL，浸泡5次）
Figure 5. Resistance of the MWCNT interface sensor's: (a) Relation between the resistance and immersion times (N= 6.25 mg/mL, t=120 min); (b) Relation between the resistance and dispersion times (N= 6.25 mg/mL, immersion for 5 times)
图 6 纤维拔出试件在25 ℃和50 ℃水环境中的吸湿行为
Figure 6. Water absorption behavior of fiber bundle pull-out specimens at 25 ℃ and 50 ℃
图 7 GF/EVA-松香复合材料在不同水温中的剪切载荷-位移曲线
Figure 7. Shear load-displacement curve of GF/EVA-Colophony composites as the function of immersion time at different water temperatures
图 9 MWCNT-GF/EVA-松香复合材料在25 ℃/50 ℃水中浸泡8 d后的剪切载荷-位移及相应的原位监测阻力曲线
Figure 9. Shear load-displacement with the corresponding in-situ monitoring resistance curve in MWCNT-GF/EVA-Colophony composites before and after immersing in 25 ℃/50 ℃ water for 8 d
图 10 25 ℃水浴环境中浸泡不同时间愈合前后界面的微观形貌
Figure 10. Microstructure of the interface before and after healing, and the specimens were immersed in 25 ℃ for various days
图 11 50 ℃水浴环境中浸泡不同时间愈合前后界面的微观形貌
Figure 11. Microstructure of the interface before and after healing, and the specimens were immersed in 50 ℃ for various days
表 1 拔出实验中剪切失效载荷对应的位移数据
Table 1. Displacement at the shear failure load in pull-out test
Immersion time/d Displacement/mm GF/EVA-Colophony, 25 ℃ GF/EVA-Colophony, 50 ℃ MWCNT-GF/EVA-Colophony, 25 ℃ MWCNT-GF/EVA-Colophony, 50 ℃ 0 3.97±0.28 3.97±0.28 3.92±0.13 3.92±0.15 2 3.81±0.05 3.96±0.14 1.79±0.38 2.75±0.21 4 3.72±0.05 4.01±0.06 2.25±0.12 2.20±0.33 6 3.75±0.07 4.06±0.13 2.46±0.11 1.99±0.12 8 3.85±0.06 3.91±0.05 2.13±0.32 3.87±0.14 
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[1] 王宇, 常德龙, 李建林, 等. 复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性研究[J]. 岩土力学, 2016, 37(11): 3105-3114.
[2] 柴寅芳. 水浸置对玻璃纤维/环氧树脂复合材料几何形态和拉伸强力的影响研究[D]. 上海: 东华大学, 2016: 3-7.
[3] ODESSA I, FROSTIG Y, RABINOVITCH O. Modeling of interfacial debonding propagation in sandwich panels[J]. International Journal of Solids and Structures, 2018, 148-149: 67-78. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2017.10.014 [4] AHANGARAN F, HAYATY M, NAVARCHIAN A H, et al. Development of self-healing epoxy composites via incorporation of microencapsulated epoxy and mercaptan in poly(methyl methacrylate) shell[J]. Polymer Testing, 2019, 73: 395-403. doi: 10.1016/j.polymertesting.2018.11.041 [5] DHARAP P, LI Z, NAGARAJAIAH S, et al. Nanotube film based on single wall carbon nanotubes for strain sensing[J]. Nanotechnology, 2004, 15: 379-382. doi: 10.1088/0957-4484/15/3/026 [6] WEN S, CHUNG D D L. Carbon fiber-reinforced cement as a strain-sensing coating[J]. Cement & Concrete Research, 2001, 31(4): 665-667. [7] YOSHIYASU H, TAKUYA Y, AKIRA T. Through-thickness electric conductivity of toughened carbon-fibre-reinforced polymer laminates with resin-rich layers[J]. Composites Science and Technology, 2016, 122: 67-72. doi: 10.1016/j.compscitech.2015.11.018 [8] GARCEA S C, SINCLAIR I, SPEARING S M. Fibre failure assessment in carbon fibre reinforced polymers under fatigue loading by synchrotron X-ray computed tomography[J]. Composites Science and Technology, 2016, 133: 157-164. doi: 10.1016/j.compscitech.2016.07.030 [9] 周文松, 李惠, 欧进萍. 无环氧树脂基碳纤维束自监测功能[J]. 复合材料学报, 2005, 22(2): 63-66. doi: 10.3321/j.issn:1000-3851.2005.02.012
[10] CHOWDHURY SN, BELLEGOU H, PILLINA I, et al. Non-intrusive health monitoring of infused composites with embedded carbon quantum piezo-resistive sensors[J]. Composites Science and Technology, 2016, 123: 286-294. doi: 10.1016/j.compscitech.2016.01.004 [11] MULLE M, WAFAI H, YUDHANTO A, et al. Process monitoring of glass reinforced polypropylene laminates using fiber Bragg gratings[J]. Composites Science and Technology, 2016, 123: 143-150. doi: 10.1016/j.compscitech.2015.12.020 [12] 李勇, 赵亚茹, 李焕, 等. 石墨烯增强金属基复合材料的研究进展[J]. 材料导报, 2016, 30(11): 71-76.
[13] 张金栋, 刘刚, 郝月, 等. 还原石墨烯复合材料的力学和电磁性能[J]. 复合材料学报, 2016, 33(1): 34-42.
[14] KOSTAGIANNAKOPOULOU C, LOUTAS TH, SOTIRIADIS G, et al. On the interlaminar fracture toughness of carbon fiber composites enhanced with graphene nano-species[J]. Composites Science and Technology, 2015, 118: 217-225. doi: 10.1016/j.compscitech.2015.08.017 [15] 申薛靖, 刘科海, 高东岳, 等. 微胶囊型自愈合聚合物基复合材料研究进展[J]. 复合材料学报, 2018, 35(9): 2303-2320.
[16] 李文婷, 蒋正武, 朱旭晶. 侵蚀环境下微胶囊自修复水泥基材料的修复效果评价[J]. 建筑材料学报, 2016, 19(6): 988-992. doi: 10.3969/j.issn.1007-9629.2016.06.006
[17] YANG B, ZHANG J, ZHOU L, et al. Effect of fiber surface modification on water absorption and hydrothermal aging behaviors of GF/pCBT composites[J]. Composites Part B: Engineering, 2015, 82: 84-91. doi: 10.1016/j.compositesb.2015.08.056 [18] WANG G, WANG Y, ZHANG P, et al. Structure dependent properties of carbon nanomaterials enabled fiber sensors for in situ monitoring of composites[J]. Composite Structures, 2018, 195: 36-44. doi: 10.1016/j.compstruct.2018.04.052 [19] HAJJAJ A Z, CHAPPANDA K N, BATRA N M, et al. Miniature pressure sensor based on suspended MWCNT[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2019, 292: 11-16. doi: 10.1016/j.sna.2019.03.036 [20] ZHONG N, POST W. Self-repair of structural and functional composites with intrinsically self-healing polymer matrices: A review[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, 69: 226-239. doi: 10.1016/j.compositesa.2014.11.028 [21] ZHU Y, YE X J, RONG M Z, et al. Self-healing glass fiber/epoxy composites with polypropylene tubes containing self-pressurized epoxy and mercaptan healing agents[J]. Composites Science and Technology, 2016, 135: 146-152. doi: 10.1016/j.compscitech.2016.09.020 [22] 张良良. 具有良好力学性能可用于伤口敷料的聚氨酯－聚丙烯酰胺水凝胶的制备与性能[D]. 合肥: 安徽大学, 2018: 4-9.
[23] PINGKARAWAT K, WANG C H, VARLEY R J, et al. Self-healing of delamination cracks in mendable epoxy matrix laminates using poly[ethylene-co-(methacrylic acid)] thermoplastic[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2012, 43(8): 1301-1307. doi: 10.1016/j.compositesa.2012.03.010 [24] LEE J, BHATTACHARYYA D, ZHANG M Q, et al. Mechanical properties of a self-healing fibre reinforced epoxy composites[J]. Composites Part B: Engineering, 2015, 78: 515-519. doi: 10.1016/j.compositesb.2015.04.014 [25] LEE S J, GETACHEW B A, KIM J H. Restoring the virus removal capability of damaged hollow fiber membranes via chitosan-based in situ healing[J]. Journal of Membrane Science, 2016, 497: 387-393. doi: 10.1016/j.memsci.2015.09.055 [26] GUADAGNO L, NADDEO C, RAIMONDO M, et al. Development of self-healing multifunctional materials[J]. Composites Part B: Engineering, 2017, 128: 30-38. doi: 10.1016/j.compositesb.2017.07.003 [27] POST W, KERSEMANS M, SOLODOV I, et al. Non-destructive monitoring of delamination healing of a CFRP composite with a thermoplastic ionomer interlayer[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2017, 101: 243-253. doi: 10.1016/j.compositesa.2017.06.018 [28] LUAN Y, GAO F, LI Y, et al. Healing mechanisms induced by synergy of Graphene-CNTs and microwave focusing effect for the thermoplastic polyurethane composites[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2018, 106: 34-41. doi: 10.1016/j.compositesa.2017.12.009 [29] 武海良, 杨倩, 张希文, 等. 基纺织品用热熔胶的形成: 组分含量和参数调控[J]. 材料导报, 2019, 33(3): 1070-1073.
[30] ZHANG Y, TAO W, ZHANG Y, et al. Continuous carbon fiber/crosslinkable poly(ether ether ketone) laminated composites with outstanding mechanical properties, robust solvent resistance and excellent thermal stability[J]. Composites Science and Technology, 2018, 165: 148-153. doi: 10.1016/j.compscitech.2018.06.020 [31] HAGHBIN A, LIAGHAT G H, ARABI A M, et al. Investigations on electrophoretic deposition of carbon nanotubes on glass textures to improve polymeric composites interface[J]. Composites Science and Technology, 2018, 155: 197-204. doi: 10.1016/j.compscitech.2017.12.005 [32] 杨斌, 胡超杰, 轩福贞, 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[J]. 复合材料学报, 2020, 37(02): 336-344.
[33] J. RAUSCH, E. MÄDER Health monitoring in continuous glass fibre reinforced thermoplastics: Manufacturing and application of interphase sensors based on carbon nanotubes[J]. Composites Science and Technology, 2010, 70(11): 1589-1596. doi: 10.1016/j.compscitech.2010.05.018 [34] 杨华, 刘云, 孔祥飞, 等. 基于膨胀珍珠岩/硅藻土/石蜡的复合相变蓄热调湿强板的制备及热湿性能研究[J]. 中南大学学报, 2018, 25: 2387-2398.
[35] HU Y, LI X, LANG A W, et al. Water immersion aging of polydicyclopentadiene resin and glass fiber composites[J]. Polymer Degradation and Stability, 2016, 124: 35-42. doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2015.12.008 [36] PAN Y, SHI J, XIAN G. Experimental and numerical study of the CFRP-to-concrete bonded joints after water immersion[J]. Composite Structures, 2019, 218: 95-106. doi: 10.1016/j.compstruct.2019.03.043 [37] ABDOLAH Z M, GRANDE A M, Van Der Z S, et al. Effect of curing on the mechanical and healing behaviour of a hybrid dual network: A time resolved evaluation[J]. RSC Advances, 2016, 6: 91806-91814. doi: 10.1039/C6RA17799A -
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