CN116376225B - 一种具有自愈合功能的轻质高刚度高阻尼材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超材料设计领域，并具体公开了一种具有自愈合功能的轻质高刚度高阻尼材料及其应用，其单胞包括基体相和增强相，其中：所述增强相为负泊松比结构骨架；所述基体相采用自愈合材料，其填充在所述负泊松比结构骨架的孔洞区域中。本发明通过微观尺度上的自愈合复合材料设计和细观尺度上的结构阻尼超材料结构设计，完成材料‑结构一体化多尺度设计，完成自愈合材料与负泊松比结构的耦合作用，以期在保证自愈合功能的基础上提升材料的动力学性能。
Description
技术领域
本发明属于超材料设计领域，更具体地，涉及一种具有自愈合功能的轻质高刚度高阻尼材料及其应用。
背景技术
超材料是一种通过在亚波长度微结构设计打破原有材料限制的材料。亚波长度上的超材料微结构设计使得原有材料具有负刚度、负折射率以及负泊松比等特性，可拓宽原有材料的应用场景。负泊松比结构在受到轴向拉伸时，横向会发生膨胀，因此负泊松比结构又叫做拉胀结构，且具有很好的延展性，可以广泛的应用于电子器件制作；拉胀结构可具有类皮肤的存在J形应力-应变曲线，具有自适应特点，可以用于制作人体心血管支架、可穿戴织物等产品自适应人体变形。负泊松比结构在受到轴向压缩时，横向会发生收缩，使得整体结构向内收缩，结构内部会产生较大的形变，吸收能量能力也得到提高，故在吸能设备中应用广泛，例如汽车的吸能盒等。但由于负泊松比的孔洞结构特征，其刚度性能较差。
复合材料由两相以上材料的组成，复合材料基体相的开裂、增强相的界面失效等损伤将会造成灾难性破坏。在自然生命体系中，小至介观结构(如DNA修复)大到宏观层级(如皮肤开裂的自行愈合)都是通过自修复方式治愈自身损伤，可见自愈合是生物界在漫长的进化过程中所形成的应对外界损伤的自我保护机制。自愈合聚合物材料中，可逆共价键的键能往往弱于非可逆共价键的键能，在受到载荷破坏时往往率先发生可逆化学键断裂。当损伤部分相互接触时，在高分子链段的损伤界面处通过局部温度激发重新形成可逆共价键，促进高分子链段在裂纹处发生缝合，最终实现静力学和动力学性能的修复，实现材料的可回收。但常规的复合材料例如碳纳米管增强的环氧树脂基材料仅通过两相混合实现高刚度力学性能，而对于材料来说刚度和阻尼是一组互斥的性能，因此如何使复合材料具有自愈合功能的同时兼顾高刚度高阻尼力学性能十分重要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有自愈合功能的轻质高刚度高阻尼材料及其应用，其目的在于，实现自愈合材料与负泊松比结构的耦合作用，在保证自愈合功能的基础上提升材料的刚度和阻尼。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种具有自愈合功能的轻质高刚度高阻尼材料，该材料的单胞包括基体相和增强相，其中：
所述增强相为负泊松比结构骨架；所述基体相采用自愈合材料，其填充在所述负泊松比结构骨架的孔洞区域中。
作为进一步优选的，所述负泊松比结构骨架包括四个相同的子部分，其中：
每个子部分包括中心圆节点和4条韧带，4条韧带均匀周向分布在所述中心圆节点四周；所述韧带包括垂直设置的S形韧带和直线型韧带，所述S形韧带一端与所述中心圆节点连接，另一端与所述直线型韧带连接；
四个子部分呈田字形分布，且相邻子部分之间有一条直线型韧带的末端相互连接。
作为进一步优选的，所述S形韧带包括三段依次连接的等距曲线，每段等距曲线由两个同心圆弧形成。
作为进一步优选的，所述等距曲线的宽度即韧带的宽度，韧带的宽度为35mm～45mm。
作为进一步优选的，所述中心圆节点的半径不小于韧带的宽度。
作为进一步优选的，所述基体相材料的密度小于增强相材料的密度。
作为进一步优选的，所述增强相材料为钢，所述基体相的自愈合材料为掺杂有多壁碳纳米管的环氧树脂。
作为进一步优选的，所述自愈合材料中还掺杂有戊二酸酐和癸二酸。
作为进一步优选的，所述自愈合材料中，多壁碳纳米管的占比为0.1wt.％～0.5wt.％。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述具有自愈合功能的轻质高刚度高阻尼材料的应用，将多个所述单胞组合为复杂几何结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明将自愈合材料填充在负泊松比结构骨架中，第一，通过自愈合复合材料的自我修复功能实现结构阻尼超材料的修复和可回收，并实现轻量化；第二，骨架增强相具备拉胀结构负泊松比的基本特征，可以给基体相提供弛豫的驱动力，从而增大能量耗散，提高材料阻尼；第三，在骨架增强相的孔洞区域填充自愈合材料，可修复骨架上的潜在裂纹，从而提高材料刚度。
2.本发明对结构阻尼超材料单胞的增强相负泊松比结构进行了设计，将负泊松比结构的韧带设计为S形，从而保证骨架与基体相自愈合材料有较大的接触面积，利用拉胀结构的大变形韧带为基体相提供弛豫的驱动力，从而实现振动能量的高效耗散。
3.本发明对韧带的宽度进行设计，在提高泊松比和结构刚度的同时，保证能够填充足够的自愈合材料，以实现轻量化和高能量耗散。
4.本发明给出了具体的自愈合材料，由于多壁碳纳米管的掺杂，可吸收大量的环氧树脂高分子链，形成有效的界面区域，从而将应力由环氧树脂传递给碳纳米管，增加自愈合材料的刚度性能；环氧树脂的交联网络拓扑结构会影响碳纳米管驱使的界面特性，进而通过界面阻尼的形式提高自愈合材料的阻尼性能；据此，对多壁碳纳米管的占比进行设计，以获得刚度、阻尼综合性能较好的自愈合材料。
附图说明
图1为本发明实施例负泊松比骨架子部分示意图；
图2为本发明实施例具有自愈合功能的轻质高刚度高阻尼材料单胞示意图；
图3为本发明实施例骨架增强相几何参数示意图；
图4为本发明实施例自愈合基体相几何参数示意图；
图5为本发明实施例负泊松比结构骨架示意图；
图6为本发明实施例单胞结构示意图；
图7为本发明实施例结构阻尼超材料构成的板结构示意图；
图8为本发明实施例不同材料构成的板结构损耗因子对比图；
图9为本发明实施例材料与其他材料刚度阻尼对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种具有自愈合功能的轻质高刚度高阻尼材料，如图2所示，其单胞包括基体相和增强相，其中：
所述增强相为负泊松比结构骨架；所述基体相采用自愈合材料，其填充在所述负泊松比结构骨架的孔洞区域中。
进而本发明通过微观尺度上的复合材料设计和细观尺度上的结构阻尼超材料的结构设计，完成材料-结构一体化多尺度设计，以下为具体说明。
微观尺度上，由于热固性树脂具有高比刚度、不易燃、抗溶剂等优点，既可作为结构材料使用，又具有良好的阻尼性能，常被选为复合材料的基材。本发明中以环氧树脂为基材，掺杂多壁碳纳米管，在固化剂的固化作用下引入自愈合功能，得到自愈合材料。多壁碳纳米管的掺入可以增强自愈合材料的刚度性能，环氧树脂的交联网络拓扑结构通过界面阻尼显著提高材料的阻尼性能。
进一步的，固化剂优选为戊二酸酐和癸二酸，戊二酸酐和癸二酸的比例为3:1；多壁碳纳米管的占比为0.1wt.％～0.5wt.％，优选为0.1wt.％。
细观尺度上，材料的刚度和阻尼是一组互斥的力学性能，通过简单的材料掺杂并不能使得材料兼顾高刚度和高阻尼性能，因此在完成微观尺度材料设计的基础上，进行细观尺度上结构阻尼超材料的结构设计。细观尺度上以负泊松比结构骨架为增强相，自愈合材料为基体相，常规的负泊松比结构主要是手性结构、凹角结构以及转动刚体结构，其韧带为简单的“L”形，并不能最大程度的与基体相自愈合复合材料接触，无法给基体相提供最大的驱动力。
因此首先针对负泊松比骨架增强相进行设计，如图5所示，负泊松比结构骨架包括四个相同的子部分，每个子部分包括中心圆节点和4条韧带，如图1所示，4条韧带均匀周向分布在所述中心圆节点四周；所述韧带包括垂直设置的“S”形韧带和直线型韧带，所述“S”形韧带一端与所述中心圆节点连接，另一端与所述直线型韧带连接；四个子部分呈“田”字形分布，且相邻子部分之间有一条直线型韧带的末端相互连接。
具体的，为了利用拉胀结构的大变形韧带为基体相提供弛豫的“驱动力”，实现振动能量的高效耗散，需要将负泊松比结构的韧带设计为“S”形，从而保证较大的接触面积，“S”形韧带为三段同心圆弧组成的等距曲线，同心圆弧半径分别为R2和R3。由于需要保证增强相的中心圆节点具有足够的刚度，从而使得骨架发生刚体旋转，产生负泊松比效应，故中心圆节点半径R1需不小于韧带宽度(即R2-R3)，韧带宽度优选为35mm～45mm。
进一步的，以密度比增强相材料小的高阻尼自愈合材料作为基体相，在克服拉胀结构刚度性能差这一局限性的同时，可实现较高的能量耗散，并实现轻量化。同时，自愈合材料的自我修复功能可实现结构阻尼超材料的修复和可回收；具体将材料浸泡在乙二醇中，使得环氧树脂被溶解，有效地将长聚合物链断裂成短链，从而实现碳纳米管的回收。
宏观尺度上，将上述单胞扩展成板、梁以及其他各种复杂几何结构。例如将该结构阻尼超材料单胞沿着平面方向设计为板结构，由于结构阻尼超材料单胞的高阻尼和高刚度力学特性使板的损耗因子和刚度也得到提高。
以下为具体实施例：
单胞包括负泊松比骨架增强相和自愈合基体相，单胞的外观基本尺寸为960mm×960mm×30mm。
首先，对基体相自愈合材料进行微观尺度上的材料设计：以环氧树脂为基体，比例为3:1的戊二酸酐和癸二酸作为固化剂，在此基础上，添加0.1wt.％，0.2wt.％，0.3wt.％，0.5wt.％多壁碳纳米管，经由实验验证可得掺杂0.1wt.％的短多壁碳纳米管具有较好得阻尼和刚度性能，最大损耗因子为0.77，最大损耗模量为1242MPa。
其次，以四分之一单胞为例，对骨架增强相几何参数做进一步描述，具体参数如图3所示，同心圆弧中，外圆弧半径为R2，内圆弧半径为R3，则韧带的宽度为R2-R3，取中心圆节点的半径等于韧带的宽度。为了验证骨架增强相韧带对泊松比参数的影响，分别韧带宽度为35mm、40mm和45mm进行数值计算，计算结果如表1所示。根据表1可知，该负泊松比骨架具有明显的负泊松比效应，韧带厚度由35mm增加至40mm时，刚度由60.40MPa增加到100.59MPa，显著增加了1.67倍，但韧带厚度由35mm增加至40mm时，泊松比绝对值有提升，但刚度增加较小。同时，相较于韧带厚度45mm的负泊松比骨架，韧带厚度为40mm的骨架更有利于填充更多的阻尼相自愈合复合材料，更有助于设计出高刚度高阻尼的超材料单胞。
表1不同负泊松比结构韧带厚度性能对比
然后，以四分之一单胞为例，对自愈合基体相几何参数做进一步描述，具体参数如图4所示。该自愈合基体相与上述骨架增强相为配合关系，配合后的基本外观尺寸为960mm×960mm×30mm。
为了验证骨架材料对整体力学性能的影响，分别以钢、铝、橡胶为骨架增强相材料，组成结构阻尼超材料单胞如图6，将该单胞沿着平面方向周期性扩展为5×5板结构，如图7所示。以刚度和损耗因子的乘积作为耗能模量，用于评价超材料单胞刚度和阻尼的综合性能，利用数值分析对上述结构进行计算，计算结果如表2所示。
表2多种骨架超材料性能对比
板结构的在不同频率下的损耗因子如图8所示，以钢为负泊松比骨架增强相材料，自愈合材料为基体相的损耗因子约为0.20，虽然低于其他对照组，但远高于骨架增强相的损耗因子0.0006，故具有较好的阻尼性能，且该结构阻尼超材料刚度远高于其他对照组，具有很好的刚度性能。如图9所示，根据耗能模量可知，以钢为骨架增强相材料，自愈合复合材料为基体相的超材料的耗能模量为2837.38MPa，可以兼顾高刚度和高阻尼性能，且显著高于中其他材料的耗能模量以及耗能模量优值600MPa。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有自愈合功能的材料，其特征在于，该材料的单胞包括基体相和增强相，其中：
所述增强相为负泊松比结构骨架；所述基体相采用自愈合材料，其填充在所述负泊松比结构骨架的孔洞区域中；
所述负泊松比结构骨架包括四个相同的子部分，其中：
每个子部分包括中心圆节点和4条韧带，4条韧带均匀周向分布在所述中心圆节点四周；所述韧带包括垂直设置的S形韧带和直线型韧带，所述S形韧带一端与所述中心圆节点连接，另一端与所述直线型韧带连接；
四个子部分呈田字形分布，且相邻子部分之间有一条直线型韧带的末端相互连接；
所述增强相材料为钢或铝；所述基体相的自愈合材料为掺杂有多壁碳纳米管的环氧树脂，自愈合材料中还掺杂有戊二酸酐和癸二酸，且自愈合材料中，多壁碳纳米管的占比为0.1wt.％～0.5wt.％。
2.如权利要求1所述的具有自愈合功能的材料，其特征在于，所述S形韧带包括三段依次连接的等距曲线，每段等距曲线由两个同心圆弧形成。
3.如权利要求2所述的具有自愈合功能的材料，其特征在于，所述等距曲线的宽度即韧带的宽度，韧带的宽度为35mm～45mm。
4.如权利要求3所述的具有自愈合功能的材料，其特征在于，所述中心圆节点的半径不小于韧带的宽度。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的具有自愈合功能的材料的应用，其特征在于，将多个所述单胞组合为复杂几何结构。
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