Al2O3和POSS改性Fe-SMA/CFRP复合材料的基本力学与回复性能研究

为了推广此具有前瞻性的新型复合材料在重点工程中的应用，有效提升SMA/CFRP复合材料的加固效果，本研究系统考虑了通过试验与理论分析等手段，考虑添加POSS和氧化铝质量比、胶粘剂种类、SMA嵌入长度和预应变水平等参数的影响，进行改性Fe-SMA/CFRP复合材料的基本力学性能研究，通过考虑改性后胶层厚度和SMA数量的影响，研究改性Fe-SMA/CFRP复合材料的回复力性能，进而探索有机改性方法等因素对Fe-SMA/CFRP复合材料界基本力学性能及回复力性能的影响机理。

在大量国内外文献的基础上，本项目主要开展了以下几方面的研究工作：

1、CFRP布、Fe-SMA丝、改性前后不同胶结剂的基本力学性能试验

根据各种材料的单轴拉伸性能试验规范制备对应试验样品，其中对胶粘剂考虑添加不同的浓度和纳米颗粒质量比，通过电子万能试验机测试各种材料的弹性模量、拉伸强度等基本力学性能指标。建立出不同材料的荷载-位移曲线。

2、静力荷载作用下改性Fe-SMA/CFRP复合材料的粘结性能实验

(1)静力荷载作用下Fe-SMA/胶结剂的粘结性能试验

利用电子万能试验机对Fe-SMA/胶结剂试件进行单轴拉伸试验，使用位移控制加载（2mm/min），直到观测到Fe-SMA丝完全拔出再停止加载，通过试验机上的力学传感器获得静载下最大拔出荷载。然后总结试件的破坏形态，分析粘结滑移曲线的分布规律，得到2种不同胶粘剂制成的复合材料的最大拔出荷载以及相对滑移量的分布规律。选出各胶结剂制成的复合材料的最佳Fe-SMA埋深和浓度以及纳米颗粒质量比，并分析三者对试样最大拔出荷载及界面剪切强度的影响，分别选出改性效果最好的浓度和质量比，为后续的试验提供参考。

(2)静力荷载作用下Fe-SMA/CFRP试件的粘结性能试验

将Fe-SMA单丝与CFRP布结合制作Fe-SMA/CFRP拉拔试件，基于Fe-SMA/试件的粘结性能试验得出的各个胶体的最佳Fe-SMA丝埋入深度设置埋入深度梯度参数，制作试件并控制胶层厚度。考虑两种胶层厚度对Fe-SMA /CFRP试件的粘结性能的影响，利用电子万能试验机对Fe-SMA/CFRP拉拔试件进行单轴拉伸试验，使用位移控制加载（2mm/min），直到观测到Fe-SMA丝完全拔出再停止加载，通过试验机上的力学传感器获得静载下最大拔出荷载。然后总结试件的破坏形态，分析粘结滑移曲线的分布规律，得到两种胶体制成的试件各自的最佳埋入深度和胶层厚度并分析二者对试样最大拔出荷载及界面剪切强度的影响

3、改性Fe-SMA/CFRP复合材料的回复力试验

利用电子万能试验机对不同的Fe-SMA/CFRP复合材料试件进行回复力试验。在SMA丝材加热段上、中、下三个位置安装三个热电偶通道，并通过配套的温度记录仪数据采集软件自动记录Fe-SMA丝测点温度的变化情况。用与电子万能试验机相配套的引伸计测量试件的拉伸变形。将试件两端夹持在万能试验机上，采用热风枪使Fe-SMA丝材升温，通过试验机上的力学传感器获得回复力。记录试件在升温过程中温度及回复力的变化，得到Fe-SMA/CFRP复合材料的温度-回复力曲线。通过Fe- SMA/CFRP复合材料的回复力试验，探究胶体热稳定性、SMA数量和预应变水平等因素对Fe-SMA/CFRP复合材料的回复应力的影响规律。

李游等[1]针对单一固化剂难以兼顾耐热性和韧性的不足，探明了耐热性能较好的缩胺105和韧性较好的聚醚胺D230两种固化剂混惨对纳米SiO2环氧胶结剂高温下（70°）基本力学性能及搭接试件界面黏结性能的影响规律。结果表明，缩胺105和聚醚胺D230两种固化剂混惨的较优比例是1:2,推荐较佳固化条件是90°2h。推荐比例与推荐固化条件的纳米环 氧SiO2 胶黏剂在环境温度20℃~70℃之间的拉伸强度和应变能均大大优常用商品胶黏剂。Niu[2]等合成了三硅醇苯基POSS（3OH-POSS），通过改性进一步提高了硼酚醛树脂（BRP）的耐热性。结果表明，当3OH-POSS含量为20%时，POSS-BPR的起始分解温度从226.0℃提高到390.2℃.在800 ℃和1000 ℃下，残余碳含量分别从71.1%增加到66.7%-75.1%和73.7%，表明BPR的热稳定性显著提高。

Abbasi[3]将环氧丙氧丙基POSS（GPOSS）纳米颗粒和氧化铝微粒添加到双组分环氧粘合剂中，通过DSC热谱图得到的组合物含有10重量%的氧化铝微粒和20重量%的GPOSS有最高的玻璃化转变温度（Tg），高于纯胶结剂大约44℃。可以得出结论，GPOSS和氧化铝在胶结剂中的同时掺入导致Tg、热稳定性和粘合强度的显著改善，这主要是由于GPOSS和氧化铝颗粒之间改善的界面相互作用。李游等[4] 基于研制的高性能胶黏剂GY34，制作了21个胶黏剂拉伸试件、15个CFRP板-钢板双搭接试件，进行了不同温度下的准静态拉伸试验、剪切拉伸试验，研究结果表明：随温度的升高，胶黏剂GY34拉伸强度及弹性模量逐渐降低；断裂伸长率及应变能先增大后减小，在温度接近胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,S时达到峰值。GY34的Tg,S(71℃)可满足钢桥加固对耐热性的要求。在25℃温度下，碳纤维增强复合材料(CFRP)/钢搭接试件的荷载-位移基本呈线性关系，界面破坏模式为CFRP板层离；小于胶黏剂Tg,S的高温环境下，荷载-位移曲线具有明显的延性发展阶段，破坏模式为CFRP板层离及钢-胶层界面破坏的混合形式，极限承载力较25℃下更大；温度超过损耗因子法获得的玻璃化转变温度Tg,T时，破坏模式为钢-胶层界面破坏，极限承载力显著降低。Junjie Xiao[5]等为了研究温度如何影响SMA-PDMS界面键合性能利用高速摄像机进行了不同界面温度下的光纤拔出实验，研究表明最大脱粘载荷、临界脱粘位移和摩擦载荷随界面温度呈指数衰减；值得注意的是，当界面温度从25℃升高到100◦C时，界面强度下降超过50%，并且随着界面温度的升高，SMA-PDMS界面的牵引分离行为从梯形转变为三角形。Junjie Xiao[6]等研究了纳米Al2O3颗粒大小和含量对界面强度的协同效应。结果表明，当掺量为1 wt%时，界面强度随粒径的增大呈指数下降，而当掺量超过1 wt%时，界面强度随粒径的增大先增大后减小。同时考虑了改性方法在高温界面下的有效性，结果显示，在100℃时，改性SMA-PDMS界面的强度下降了37.8%，而未改性的界面的强度下降了51%。结果表明，即使在超过SMA热变形阈值的温度下，改性方法也能显著提高界面强度。

目前，国内外对于胶体的改性大多数在于其粘结性能，但是对他在高温下粘结性能的性能较少，且没有应用到SMA-CFRP复合材料上。因此研发一款新的高温胶，研究其基本力学性能和恢复性能，并应用到SMA/CFRP复合材料上去具有重要意义。

附参考文献：

[1] 李游.高性能纳米材料环氧胶黏剂及CFRP加固钢结构界面性能研究[D].长沙理工大学,2021.DOI:10.26985/d.cnki.gcsjc.2020.000013.

[2] Z. Niu, G. Li, Y. Xin, X. Ma, C. Zhang, X. Hou, Enhanced thermal and anti-ablation properties of high-temperature resistant reactive POSS modified boron phenolic resin, J. Appl. Polym. Sci. 139 (18) (2022) 52087.

[3]A.Abbasi,A.Salimi,H.Bouhendi,M.Karimi,A studyof the thermal properties of alumina/glycidoxy propyl POSS/ epoxy adhesives, J. Adv. Res.,43(2023),pp.137-146.

[4] 李游,李洪仪,马小琬,等.高温对基于研发胶黏剂的CFRP板-钢板搭接界面力学性能的影响[J].复合材料学报,2023,40(12):6596-6609.DOI:10.13801/j.cnki.fhclxb.20230228.002

[5] Xiao J, Zhang K, Liu B, et al. Influence of temperature on the SMA-PDMS interfacial bond behavior and its modeling with temperature dependent trapezoidal cohesive law[J]. Compos Struct 2023;117513.

[6] Xiao J, Liang B, Liu B, Feng M F, Cheng H, Zhang K F, et al The synergistic effect of nano-Al2O3 size and concentration on the interfacial adhesion properties of SMA/PDMS composites and their enhancement mechanism[J]. Compos Struct 2025;118696.

(1)在Fe-SMA/CFRP复合材料回复力试验中考虑了在胶粘剂中直接添加不同质量比的纳米材料对其回复力和粘结性能的影响研究观点的创新。国内外的学者针对提升Fe-SMA和CFRP之间的回复力性能做了深入的试验研究，但是在对于使用复合纳米材料质量比提升复合材料的粘结性能方面，往往是进行单一物理纳米材料改性，并未考虑将两种不同的纳米材料添加进各类胶粘剂去提升其与SMA丝的粘结性能。本研究预期找出各胶粘剂的最佳复合纳米材料的质量比，进而更简单有效地提升Fe-SMA/CFRP复合材料的粘结性能，并揭露了复合纳米材料对Fe-SMA/CFRP复合材料粘结性能提升的影响机理。通过此方法提升Fe-SMA/CFRP复合材料的粘结性能有效推广其在实际工程中的应用。

(2)在Fe-SMA/CFRP复合材料粘结性能试验中考虑了不同的胶粘剂种类及胶层厚度，SMA丝材的埋入深度等对其粘结性能的影响研究观点的创新。找出使用各胶粘剂制成的Fe-SMA/CFRP复合材料的最佳SMA丝埋入深度，为后续制作不同类型的Fe-SMA/CFRP复合材料提供了参考数据。

拟解决问题：

（1）研究添加不同质量比浓度POSS和氧化铝纳米颗粒对各胶粘剂物理力学性能的影响

（2）研究纳米颗粒浓度和添加POSS和氧化铝纳米颗粒质量比以及Fe-SMA丝材的埋入深度对Fe-SMA/胶结剂试件的粘结性能的影响

（3）研究Fe-SMA丝材的埋入深度以及胶层厚度对Fe-SMA/CFRP试件的粘结性能的影响

（4）研究Fe-SMA丝数量以及预应变水平对Fe-SMA/CFRP试件产生的回复力大小的影响

预期成果：

(1)了解添加不同质量比浓度POSS和氧化铝纳米颗粒对各胶粘剂物理力学性能的影响

(2)了解纳米颗粒浓度和添加POSS和氧化铝纳米颗粒质量比以及Fe-SMA丝材的埋入深度对Fe-SMA/胶结剂试件的粘结性能的影响

(3)了解Fe-SMA丝材的埋入深度以及胶层厚度对Fe-SMA/CFRP试件的粘结性能的影响

(4)了解Fe-SMA丝数量以及预应变水平对Fe-SMA/CFRP试件产生的回复力大小的影响

(5)发表一到两篇论文

第一阶段

（1）2024年12月—2025年1月，搜集相关资料，进行文献调研，制定试验方案，做好试验前期工作；

（2）2024年1月—2024年3月，对选用的不同浓度、质量比与胶结剂进行材料性能测试。

第二阶段

（1）2024年3月—2024年4月，开展CFRP布、Fe-SMA丝、改性前后不同胶结剂胶结剂的单轴拉伸试验；

（2）2024年4月—2024年6月，开展Fe-SMA/CFRP复合材料的回复力试验；

（3）2024年6月—2024年8月，开展改性Fe-SMA/CFRP复合材料的粘结性能实验；

（4）2024年9月—2025年2月，分析计算各材料参数，拟合相应曲线，对已有的约束本构模型进行整理，得出相应的本构模型，与试验结果进行比较。

第三阶段

（1）2025年2月-2025年6月，总结研究成果，发表学术论文，项目结题