热塑性聚合物因其具有高强度、高耐磨性、高弹性、高韧性和抗冲击等优异的性能,被广泛应用于汽车、医疗设备、电子设备、工程和民用等领域。但由于传统的热塑性聚合物在使用过程中,易在静载荷或冲击载荷作用下在材料内部或表面产生微裂纹进而减少了其使用寿命和安全性,因此限制了其在一些重要工程和尖端领域的应用。为进一步拓宽热塑性聚合物的应用领域,探索出一种不仅具有优异的力学性能,而且具有自修复特性的热塑性聚合物复合材料是促进其进一步发展和应用的重要任务。本文选用热塑性聚氨酯(TPU)为基体,酸化改性的石墨烯和碳纳米管为增强相,采用经典溶液共混法制备了具有三种不同复合程度的“G-CNT”杂化结构增强的TPU复合材料。该复合材料不仅具有优异的力学性能,而且在微波诱导下能实现微损伤自修复的功能。通过力学性能测试、SEM技术、剪滞理论和有限元数值模拟方法对TPU复合材料力学性能和微波诱导下的自修复性能进行研究,主要研究内容如下:(1)在TPU复合材料力学性能研究方面,首先采用不同的实验方案制备了石墨烯和碳纳米管质量比为3:1,且纳米填料总含量为1.5%的TPU复合材料。通过对其力学性能研究发现:由石墨烯和碳纳米管形成的三维空间结构能够有效改善增强相在基体中的分散和提高与基体之间的界面结合及载荷传递,从而提高TPU材料的宏观抗拉力学性能,且复合程度越高其提高效果越显著。当采用预复合方法制备TPU复合材料时,“G-CNT”复合程度最高,其对TPU复合材料的力学性能增强效果达到最佳(61.95MPa),较纯TPU提高了37.65%,较G/TPU提高了27.1%。在此基础上,基于Cox剪滞理论,建立了四种不同“G-CNT”复合程度的TPU复合材料细观力学模型,并结合复合粉末及试件的拉伸断裂面的微观形貌表征,综合分析了不同“G-CNT”复合结构协同增强TPU复合材料的力学增强机理。结果表明:石墨烯片与其上负载的碳纳米管形成的三维空间结构不仅增加了增强相(石墨烯,CNT)与TPU基体间的接触面积,而且增加了石墨烯与TPU基体间的粗糙度,从而增强了界面黏结程度,并在提高其与基体之间的应力传递效率和材料抗拉强度中具有积极的促进作用。最后,利用ABAQUS数值模拟软件,建立了四种TPU复合材料的RVE模型。模拟结果表明:石墨烯为主要承受外载荷的部位,随着CNT数量的增多,石墨烯上所承受的拉应力逐渐减少,剪应力逐渐增大。外载荷由石墨烯和碳纳米管共同承担,这将能够进一步提高增强相与基体之间的应力传递效率和材料的宏观力学性能。(2)在复合材料损伤裂纹修复机理研究方面,本文首先对G/TPU、G/TPU+CNT/TPU、G-CNT/TPU、G+CNT/TPU四种预制损伤裂纹的TPU复合材料进行微波诱导自修复实验,并通过SEM技术和拉伸测试以此来考察TPU材料的修复效果。实验结果表明:四种TPU复合材料在微波诱导下均能实现裂纹的自修复。当石墨烯片上负载的CNT数量适中,则它们组成的异质界面结构均匀地分散在基体中,提高了其与微波之间的耦合,从而有效促进了裂纹的修复,其中G-CNT/TPU复合材料的修复效率高达138%;其次,采用有限元数值模拟方法对G-CNT异质界面对电磁场分布的影响特性进行研究。结果表明:由G-CNT组成的异质界面能够吸收更多的电磁能,为复合材料裂纹处提供足够的能量补给,从而能提高体系的自修复效率。