Fe?O?/EMAA复合材料中的磁热触发自修复机制：机械增强与感应加热性能

《Composites Communications》：Magneto-thermally triggered self-healing in Fe 3O 4/EMAA composites: mechanical reinforcement and induction heating performance

通过熔融共混制备了Fe3O4纳米颗粒增强的EMAA树脂复合材料，验证了其磁热响应特性与机械性能提升。研究发现，添加20 wt% Fe3O4可使复合材料在76 kHz交变磁场下18分钟内升温至146.7°C，并实现碳纤维增强聚合物单搭接接头96%的原承载恢复率。该材料为远程可控的自修复复合材料设计提供了新思路。

　　

李瑶蕾|铁颖|李成

郑州大学机械与动力工程学院，中国郑州科学路100号，450001

摘要

本研究开发了具有集成磁热响应特性的多功能Fe₃O₄/乙烯-甲基丙烯酸共聚物（EMAA）复合材料。通过将Fe₃O₄纳米颗粒熔融混入EMAA树脂中制备了这些复合材料，并通过FTIR和电位分析证实了界面间的结合。力学测试显示，Fe₃O₄的加入显著增强了材料的性能：与纯EMAA相比，其弹性模量和屈服强度有所提高，尽管延展性有所降低。含有5%、10%和20% Fe₃O₄纳米颗粒的复合材料在感应加热条件下表现出优异的性能。当这些复合材料置于76 kHz、44 A的交变磁场中时，其升温速度与纳米颗粒含量成正比；在含有20% Fe₃O₄的复合材料中，18分钟内温度可升高至146.7°C。此外，这种磁热响应特性还被用于激活碳纤维增强聚合物单层接头中的原位自修复功能。经过局部感应加热（150 °C）后，受损接头的拉伸载荷恢复到了原始值的96%，表明其自修复效率很高。这项工作展示了一种可行的策略，可用于设计具有按需非接触式热激活功能的可修复热塑性复合材料，为航空航天和柔性电子应用中的结构维护提供了潜力。

引言

随着材料科学的发展，热塑性聚合物在航空航天、电子封装、汽车工业等领域展现出巨大潜力，这主要归功于它们的自修复能力和延长使用寿命的特性[1]、[2]、[3]。受生物系统中自修复机制的启发，这些材料能够部分或完全恢复其机械和功能完整性，从而显著提高安全性和经济性[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。

其中，乙烯-甲基丙烯酸共聚物（EMAA）因其优异的柔韧性和透明度而被广泛使用[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。Loh等人[15]将自修复剂嵌入碳纤维织物中，发现这种处理方式能够恢复材料的断裂韧性，并且可以多次修复。Pe?as-Caballero等人[16]通过喷涂在碳纤维复合材料表面沉积EMAA，发现材料的断裂韧性得到改善并具备自修复能力。然而，EMAA的自修复过程通常依赖于外部均匀加热，这种方法能耗高、响应速度慢，且局部修复精度不足。此外，单一的热触发机制限制了其在复杂工作条件下的应用。

为了解决上述问题，研究人员考虑向热塑性聚合物中添加纳米颗粒以改善其性能[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。通过嵌入合适的纳米颗粒，可以显著改变聚合物的性能，从而制备出具有先进物理化学特性的新型高性能材料[22]、[23]。例如，ZrO₂纳米颗粒可以用于制备智能聚合物涂层[24]。Ramezani[25]研究了嵌入石墨烯纳米片的微胶囊的机械自修复行为。由于Fe₃O₄纳米颗粒独特的磁响应特性，它们已成为优化热塑性聚合物的热门材料。Zailan等人[26]通过混合溶解Fe₃O₄纳米颗粒和聚合物制备了纳米复合材料，发现适量Fe₃O₄纳米颗粒不仅提高了聚合物的拉伸和冲击性能，还提供了良好的辐射屏蔽效果。Zeng等人[27]将Fe₃O₄纳米颗粒与EVA混合制备了EVA/Fe₃O₄复合材料，发现添加纳米颗粒后复合材料在近红外光下表现出优异的光响应性。Sztorch等人[28]将Fe₃O₄纳米颗粒作为改性剂添加到3D打印用PLA中，发现无机化合物的添加可以增强附着力并减少打印缺陷。Cheng等人[29]证明Fe₃O₄和EMAA的混合物具有自修复性能，但缺乏对材料性能和自修复机制的详细分析。尽管Fe₃O₄改性已显示出在聚合物中增强多种性能的作用，但其在结构复合材料（尤其是基于EMAA树脂的复合材料）中实现磁热触发自修复的应用仍需进一步探索。因此，深入理解磁改性的EMAA的热机械响应机制至关重要。

本研究将Fe₃O₄纳米颗粒引入EMAA中，开发了一种响应式热塑性粘合系统。主要目标是研究Fe₃O₄/EMAA复合材料的结构-性能关系，包括界面相互作用、机械增强效果以及感应加热行为，并对其结构进行了表征。与传统基于EMAA的自修复方法不同，该系统能够通过电磁感应实现快速、非接触式的热激活。通过系统评估其机械性能和磁热响应，本研究为设计远程激活的自修复剂奠定了材料基础，这可能有助于未来修复复杂或难以接触的连接结构。

材料

材料

EMAA 960购自宁波永阳塑化技术有限公司，平均粒径为200微米，其中甲基丙烯酸共聚物的含量为15%。Fe₃O₄纳米颗粒来自中科新材料技术有限公司，粒径为100-150纳米，密度为5.18克/立方厘米，纯度为99.9%。其微观结构如图1所示。

Fe₃O₄/EMAA复合材料的制备

首先，将EMAA和Fe₃O₄纳米颗粒在电吹干炉中干燥

Fe₃O₄/EMAA复合材料的热性能

关于热性能分析，进行了TGA测试，EMAA和Fe₃O₄/EMAA（含有5% Fe₃O₄纳米颗粒）复合材料的TG曲线如图5所示。从TG曲线可以看出，EMAA和Fe₃O₄/EMAA在300°C以下均不会分解。最大分解温度（T_d,_max）从纯EMAA的465.6 °C升高到含有10% Fe₃O₄纳米颗粒的复合材料的475.4 °C。这些结果表明，Fe₃O₄的加入

结论

本研究成功开发了一种基于Fe₃O₄纳米颗粒改性的多功能热塑性复合材料，该复合材料结合了自修复性能和磁热响应特性。与原始EMAA相比，这些复合材料具有更高的弹性模量和屈服强度，证实了纳米颗粒的有效增强效果。Fe₃O₄纳米颗粒的加入增强了纳米颗粒表面与树脂中羧基团之间的界面相互作用

CRediT作者贡献声明

李成：资源获取、项目管理、数据分析、概念构思。铁颖：写作 – 审稿与编辑、可视化处理、监督、数据分析。李瑶蕾：初稿撰写、验证、方法设计、实验实施、数据整理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。