论文标题：Review of damping composite materials and structures involving self-healing constituents

期刊： Frontiers of Mechanical Engineering

作者：Haibo FENG, Li LI

发表时间：15 Apr 2025

DOI：10.1007/s11465-025-0833-7

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现代工业不断追求极轻质和多功能的集成设计，要求结构材料不仅限于确保轻质设计的结构承重功能，还必须具有高机械性能和高阻尼能力。自愈材料因其极具吸引力的可修复性和可再加工性而受到广泛关注。自愈特性本身是一种需要能量耗散的化学反应，因此可以利用它来提高阻尼能力。然而，阻尼复合材料结构的比阻尼性能不仅取决于其在纳米尺度上的内在阻尼源，还取决于其宏观尺度上的外在变形驱动模式。

《Frontiers of Mechanical Engineering》2025年第20卷第2期的一篇题为“Review of damping composite materials and structures involving self-healing constituents”的综述论文，将固有阻尼源和外部变形驱动模式相结合，作为一种材料-结构-性能一体化设计方法的整体概念，以应对提高比阻尼性能所面临的广泛挑战。

自愈材料受自然生物体启发，分为外在自愈、内在自愈和先闭合后愈合策略。外在自愈材料的修复过程依赖外部介质；内在自愈材料在结构网络中引入可逆键，主要通过动态共价键或非共价键的断裂和重组来实现愈合；先闭合后愈合策略借助形状记忆效应先闭合裂缝再自愈。

自愈材料在多领域有应用，但面临诸多挑战。机械性能与自愈性能之间的冲突，动态键会削弱动态共价自适应网络的机械性能；刚度与阻尼性能也相互矛盾，需制定一个性能指标来描述刚度和阻尼的综合表现；自愈、刚度和阻尼性能间存在复杂关系，限制了材料综合性能的可控设计和优化。

阻尼复合材料的有效阻尼性能依赖纳米级内在阻尼源和宏观级外在变形驱动模式。在纳米层级，内在阻尼源主要分为塑性阻尼、粘弹性阻尼和化学阻尼；微观级通过添加纳米填料增强界面阻尼；介观级利用自然生物特征或粒子、纤维增强复合材料构造特征结构；宏观级借助增材制造可以设计出具有“外刚内乱”变形模式的微观结构。

聚合物材料的刚度增强机制包括交联中的熵力、强界面相互作用、机械联锁结构和网络交联密度。提高交联点化学键强度、增强界面之间的作用力、引入联锁结构以及增加聚合物分子链的交联密度都能提高材料刚度。

设计高比阻尼性能的人工复合材料有三条原则：利用纳米级软材料的多种阻尼源和软硬相协同效应；合理设计硬相微观结构；发挥微、介观硬填料的阻尼激发作用，提升复合材料的比阻尼性能。

自愈材料能自动修复，延长使用寿命，还能改善阻尼性能。含自愈成分的阻尼复合材料有望在航空航天、汽车等领域广泛应用。未来研究还可以从以下几方面开展：在纳米级深入研究动态键与机械性能、自愈性能的关系；在微观尺度优化填料和界面设计；在介观和宏观尺度，利用增材制造技术开发超材料，探索能量耗散的多时空数值模型，实现结构的创新设计。

关键词

仿生自愈材料；机械性能；阻尼机制；多尺度；结构阻尼复合材料；层级结构

引用

Haibo FENG（冯海波）, Li LI（李立）. Review of damping composite materials and structures involving self-healing constituents. Front. Mech. Eng. 2025, 20(2): 15

https://doi.org/10.1007/s11465-025-0833-7

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