自修复材料的宏观模拟与细观分析

Self-healing material is a new kind of biomimetic materials, which has the intrinsic ability to heal the damages and effectively improve the degradation of material properties induced by fatigue, creep, aging, thermo-oxidation and corrosion, etc., thus to extend their service life. The emergence of self-healing materials constitutes new challenges towards fundamental theories of mechanics. Thereby, the present project aims at building up new theoretical models for self-healing materials under the framework of continuum mechanics or micromechanics. The healing of the degradation of mechanical properties as well as other physical properties will be extensively explored through establishing the evolution laws of the competitive damage and healing variables under different physical mechanisms, and the obtained results will provide guidelines for the design of self-healing materials. The main topics of the project include: continuum mechanics of self-healing materials based on the internal damage and healing variables, micromechanical behaviors of self-healing materials considering the transportation of materials and energy between the damaged region and the healing agent, modeling and validation of some exampled self-healing materials.

自修复材料是一种新型的仿生材料，具有对材料损伤进行自我修复的能力，可以有效地改善因为疲劳、蠕变、老化、热氧化和化学腐蚀等造成的材料性能劣化，延长材料使用寿命。自修复材料的发展对经典力学理论提出了新的挑战。本项目旨在构建材料损伤-修复的连续介质力学模型和细观力学模型，并根据若干具体材料在不同物理场作用下的损伤-修复机制，建立损伤-修复演化方程，研究自修复材料机械性能以及其他物理性能的损伤-修复行为，为自修复材料的设计提供理论依据。主要内容包括：基于损伤和修复内变量的自修复材料连续介质力学研究、考虑损伤和修复之间物质和能量传输的自修复材料细观力学研究、若干自修复材料的损伤-修复行为的模拟与验证。

本项目主要开展基于损伤和修复内变量的自修复材料连续介质力学研究、考虑损伤和修复之间物质和能量传输的自修复材料细观力学研究、若干自修复材料的损伤-修复行为的模拟与验证。取得重要研究成果包括：（1）基于不可逆过程热力学、化学计量学和反应动力学原理，构建了化学活性固体传质-传热-化学反应-变形耦合问题的连续介质理论框架。该理论框架包含开放系统的质量、动量和能量守恒方程、化学反应动力学和能量耗散不等式以及由此得到的描述各场相互作用的全耦合本构关系、控制介质扩散、化学反应、传热及损伤耗散行为的动力学方程；（2）建立了损伤-修复连续介质力学的理论框架，引入损伤变量和修复变量作为独立状态变量来分别描述损伤与修复过程对材料力学行为的影响，基于非平衡热力学和相场理论，给出了损伤变量和修复变量的动力学演化方程；（3）通过引入修复剂的化学反应进度这一独立状态变量，从化学反应动力学角度描述了自修复材料的修复演化过程，建立了适用于胶囊型自修复聚合物材料的力-化耦合模型，综合考虑了弹塑性变形、损伤演化以及修复反应对材料力学性能的影响；（4）研制了一种以碳纳米管（CNT）为芯材、聚乙烯-甲基丙烯酸(EMAA)为载体、具有自修复功能的三明治结构膜；实验结果表明，CNT/EMAA可以使玻璃纤维增强层压板I型断裂韧性提高34.6%，第一次和第二次损伤自愈率分别可达115.3%与129.4%。CNT/EMAA膜具有良好的多功能性，能显著提高层合板的自修复能力和断裂韧性。项目所获得的研究成果可为自修复材料的发展提供理论指导，也拓展了经典力学的研究领域。