 一些功能性连续纤维增强相的引入使得形状记忆聚合物复合材料可适用于大型结构件设计、并赋予了材料更丰富的刺激响应方式。在这些材料中，织物增强复合材料因其较高的结构完整性和强度而受到广泛关注。但目前对于热塑性形状记忆聚合物复合材料的研究主要集中在二维织物层合板的设计工艺。相比而言，3D 编织结构由于其高层间行为和优异的结构完整性制造优势而具有巨大的潜在应用。在电场中，电流通过材料内部碳纤维形成的导电网络产生焦耳热，促使材料升温来触发变形回复。温度作为影响形状记忆材料应变回复的重要因素，对不同编织结构复合材料在电场刺激下的温度与回复应变的演变做出定量分析是非常有必要的。 针对该现状，2022年，东华大学顾伯洪教授团队在复合材料Top期刊《Composites Science and Technology》发表了关于3D编织碳纤维增强形状记忆复合材料电热回复性能方面的研究工作，论文标题为“Full-field strain and temperature evolution of electroactive three-dimensional braided thermoplastic shape memory composites”， 博士生齐莹莹为第一作者，孙宝忠教授和张威博士为共同通讯作者。
该研究基于连续碳纤维/热塑性聚氨酯(CCF/TPU)复合长丝，通过1˟1四步法编织及热压成型工艺制备了三维编织热塑性形状记忆复合材料（SMPCs）。这种前浸渍的工艺，克服了在热塑性复合材料成型中高粘度树脂难以浸渍倒三维全厚度增强织物内部的困难。制备流程及如如图 1所示。
图 1 三维编织SMPCs的制备过程 正如编织角度会影响复合材料的力学性能，编织角度的微小变化也影响着SMPCs的形状记忆行为，该研究选择15°,25°,35°三个编织角度制备SMPCs。如图 2所示。
图 2 (a) SMPCs制备示意图 (b) CCF/TPU 3D编织预成型件 (c) SMPCs 图像
图 3 DMA测试结果 (a)样品的储存模量(b)损耗因子 图 3为 DMA测试结果。图3a显示了纯TPU样品和不同编织角度SMPCs存储模量的温度依赖性。在25℃下，15°SMPCs的储存模量是纯TPU的3.7倍。这表明碳纤维能够显著改善SMPCs的热力学性能。此外，随着编织角的减小，材料的储存模量增加。tanδ曲线峰对应于样品的玻璃化温度(Tg)。如图3b所示，CCF对SMPCs整体的热性能影响较小。
图 4 三点弯曲试验结果(a)荷载-挠度曲线(b)试样的弯曲模量 不同编织角度样品的力学响应如图 4所示。图4a为三点弯曲试验下试件的荷载-挠度曲线。随着挠度的增大，弯曲荷载先增大后减小。这表明碳纤维能够显著的提高了SMPCs的力学性能。编织角对织物力学性能的影响如图4b所示，15°试样的弯曲模量高于35°试样1.69倍。脆性断裂是15°编织角试样的主要损伤模式。
图 5 3D编织SMPCs的形状记忆行为(a)在70℃烘箱中的热回复行为 (b) 在7v电压下的形状回复测试 (c)3D编织SMPCs的电阻 (d)SMPCs的温度-时间曲线。 不同编织角度的SMPCs在电刺激下的形状记忆行为与热刺激下的形状记忆行为有相同的趋势，如图 5a和b所示。小编织角的试样需要较大的外力来预变形，在冷却为临时形状后，SMPCs内储存的弹性应变能也较大。当温度上升到Tg附近时，聚合物分子链软化，小编织角的样品由于弹性回复，具有快速回复初始形状的趋势。SMPCs的电阻如图5c所示，随着编织角的增大，SMPCs的电阻呈增大趋势。三维编织复合材料的电阻与纱线的编织路径有关。根据焦耳定律，SMPCs在电压施加下在时间(T)内产生焦耳热(Q)，这与电阻(R)和电压值有关。为了解释电阻对SMPCs形状回复行为的影响，研究了焦耳加热温度的变化，如图5d所示。结果表明，不同编织角SMPC达到玻璃化温度所需时间无显著差异。这是由于较高的施加电压(7V)导致所有SMPCs的温度迅速上升。结果表明，不同编织角度的SMPCs的形状回复时间受电阻差异的影响较小。
图 6 不同编织角度的SMPCs在回复过程中的全场(a)应变和(b)温度 采用三维数字图像相关(DIC)和红外热成像技术对回复过程中全场的应变和温度进行了探究。在回复过程中试样表面发生压缩，应变计算为负值，初始应变为零。回复完成后试样表面不均匀应变是由于样品在预变形过程中产生的不均匀拉伸引起的。图6a和图6b为不同编织角度SMPCs的全场应变和温度对比。编织角为15°时，最终回复时间比编织角为35°的样品缩短42%。在20 s时，可以观察到样品的回复程度的差异。在达到Tg(约10 s)之前，15°样品的形状回复开始响应，并且可以在较低温度下可以完成形状回复。15°编织角试样储存了更多的弹性应变能。当聚合物被加热和软化时，碳纤维的弹性回复促进SMPCs的形状回复。  25°编织角试样的全场应变演化过程 25°编织角试样的全场温度演化过程
图 7（a）不同编织角度样品回复力-温度曲线 (b)不同电压下25°编织角SMPC的回复力-时间曲线(c)温度-时间曲线 通过自搭建测试平台以约束位移的方式来评估样品的回复力。图7a为5v电压下不同编织角度SMPCs的回复力变化曲线。15°试样的回复力达到3.1 N，是35°试样的1.70倍。这是由于当试样处于临时弯曲状态时，小编织角的SMPCs比大编织角的SMPCs具有更高的弹性应变存储能力。因此，编织角为15°的SMPCs由于储存了更多的应变能量，将产生更大的回复力。为了更好地理解外加电压对回复力的影响，研究了不同电压下的回复力行为，如图7b所示。回复力达到峰值的时间随电压的增加而减小。不同电压下25°试样的温度-时间曲线如图7c所示。在较高的电压下，试样在较短的时间内产生的焦耳热越多，从而更快达到形状记忆转变温度。 本文使用CCF/TPU复合丝制备了电致三维编织热塑性SMPCs。研究了不同编织角度下试样的力学性能和形状记忆行为。结果表明，随着编织角的减小，样品的弯曲模量和储存模量增大，回复力显著增大并且能够更快完成形状回复。利用DIC和红外技术量化和解释了样品形变回复中温度与表面应变的变化关系。这项研究有望应用于形状回复智能材料和结构设计。 原始文献： Y. Qi, B. Gu, B. Sun, W. Zhang, Full-field strain and temperature evolution of electroactive three-dimensional braided thermoplastic shape memory composites, Composites Science and Technology. 219 (2022) 109250. https:///10.1016/j.compscitech.2021.109250. |
|
|
