石墨烯纳米片增强尿素甲醛微胶囊自修复复合材料的力学性能与界面调控机制研究

本研究针对复合材料微裂纹扩展导致力学性能下降的问题，通过将石墨烯纳米片(GNPs)与尿素甲醛(UF)微胶囊自修复系统相结合，系统研究了0.15-0.45 wt% GNP含量对GFRP复合材料拉伸性能和层间剪切强度(ILSS)的影响。结果表明0.3 wt% GNP使复合材料获得最优力学性能，而自修复效率随GNP含量增加呈下降趋势，FESEM证实GNPs通过改变裂纹路径和增强界面粘附发挥协同作用。

　　

复合材料在航空航天、汽车制造等领域的广泛应用，始终面临着一个"阿喀琉斯之踵"——微裂纹。这些肉眼难辨的细小裂纹，就像材料内部的"隐形杀手"，在循环载荷或温度变化下悄然扩展，最终导致结构失效。传统检测手段难以捕捉早期损伤，而人工修复又面临成本高、效率低等难题。受生物体自愈机制启发，科学家们开发出微胶囊自修复系统，但当面对高强应力环境时，单一的自修复机制仍显力不从心。

在此背景下，研究人员创新性地将被誉为"材料之王"的石墨烯纳米片(GNPs)引入自修复体系。这种二维纳米材料具有惊人的比表面积和力学强度，理论上既能阻止裂纹扩展，又能提升基体强度。但关键问题在于：GNPs如何与微胶囊协同作用？不同含量GNPs会如何影响自修复效率？这些科学问题直接关系到复合材料的实际工程应用。

为解答这些问题，研究人员设计了一套系统的研究方案。首先采用原位聚合法制备以尿素甲醛(UF)为壳、环氧树脂为核的微胶囊，并开发镍-咪唑催化剂。通过交替进行机械搅拌和超声处理，将0.15-0.45 wt% GNPs均匀分散在环氧树脂中，结合手糊成型工艺制备玻璃纤维增强聚合物(GFRP)层压板。采用准静态穿刺法模拟实际损伤，通过拉伸和ILSS测试量化修复效果，并借助场发射扫描电镜(FESEM)观察微观结构演变。

在材料表征方面，FT-IR光谱证实了微胶囊与催化剂的成功合成及修复反应的完成，EDS元素 mapping显示Cl、Ni、N元素均匀分布，为自修复功能实现奠定基础。微胶囊尺寸分析显示主要分布在140-200 μm范围，壳厚约4 μm，满足力学稳定性和修复剂释放的双重要求。

力学性能测试呈现三个重要发现：

1. 在拉伸性能方面，0.3 wt% GNP样品展现出最优表现，30GT3试样的极限应力达403.72 MPa，较无GNPs样品提升30.54%。但GNP含量升至0.45 wt%时，因纳米粒子团聚导致性能下降。
2. 自修复效率呈现相反趋势：无GNPs样品修复后强度甚至超过原始样品(效率104.46%)，而0.3 wt%和0.45 wt% GNP样品的修复效率分别降至72.02%和61.96%，表明GNPs虽增强力学性能但会阻碍修复剂扩散。
3. ILSS测试中，0.3 wt% GNP样品同样表现最佳，30GI3试样强度达28.40 MPa，较基准样提高58.92%，验证了GNPs对层间性能的显著改善。

微观机制分析揭示了四个关键现象：

1. FESEM显示无GNPs样品存在明显微胶囊脱粘现象，而GNPs的加入通过增强界面机械互锁作用有效抑制了这一现象。
2. 在0.3 wt% GNP样品中，纳米粒子均匀分散并形成应力传递网络，同时可见催化剂颗粒邻近微胶囊分布，确保修复反应及时触发。
3. 高含量(0.45 wt%)GNP样品中出现明显团聚体，这些"纳米岛"成为应力集中源，反而削弱材料性能。
4. 裂纹路径观察证实GNPs能改变裂纹扩展方向，通过裂纹偏转、桥接等机制消耗断裂能，而修复剂可有效填充GNPs周边的微裂纹。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了GNPs含量对自修复复合材料"强度-修复"平衡关系的影响规律，确定了0.3 wt%为最佳添加量。这一成果为设计兼具高强度和自修复功能的智能复合材料提供了理论依据和实践指导。特别是在风电叶片、飞机蒙皮等承受复杂载荷的结构应用中，这种材料可显著延长服役寿命、降低维护成本。研究还创新性地采用准静态穿刺法模拟实际损伤，比传统DCB等方法更贴近工程实际情况。

未来研究可进一步优化GNPs表面功能化处理，改善其与修复剂的相容性；探索梯度分布GNPs的可能性，在关键区域集中增强；开发低温修复体系以适应航空航天极端环境。这项发表在《Results in Engineering》的工作，为下一代智能复合材料设计开辟了新思路。