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高分子复合材料在重复热、力载荷作用下，易于在其基体内部产生微裂纹，裂纹扩展并聚集将导致复合材料基体破坏或层间开裂，致使材料结构的完整性严重损失。这些微损伤常发生于材料结构内部深处，难于探测和修复，因此，裂纹的早期修复，特别是自愈合，一直被认为是解决此问题的重要手段。其中，基于微胶囊的自愈合技术从感知裂纹和容易封装角度对实现材料自愈合更具潜力，该技术关键是要克服因胶囊的加入而导致的材料性能下降和解决材料在室温或低温的自修复速率缓慢和效率不理想等问题。
本论文通过设计低温速固的环氧树脂/BF3.O(C2H5)2修复体系，在基本不降低材料力学性能的前提下，赋予环氧树脂自愈合功能。通过探讨不同修复温度，不同修复时间情形下修复剂胶囊种类、尺寸、填充浓度，以及修复固化剂载体种类和填充水平与材料的修复效率和力学性能之间的关系，优化材料的自愈合行为；另一方面，通过FTIR、DSC并辅以显微拉曼、SEM、EDS等分析手段，揭示材料的自愈合微观机制。
本工作主要研究内容包括：
1、通过新设计的紫外辐射界面自由基聚合方法合成了两种环氧树脂(E-51和E-711)微胶囊。其生成机理为，混合液滴中的囊壁组成单体环氧丙烯酸酯和可聚合乳化剂在乳化作用下，与囊芯环氧树脂发生相分离而聚集在环氧液滴表面，在紫外辐照下，壳层单体快速固化交联形成大小约为5～50μm的“芯-壳”型微胶囊结构。对产物微胶囊的性质进行了系统的表征，具体包括粒径及其分布、化学结构、表面形态、热稳定、囊芯环氧树脂含量及其与固化剂的反应性。结果表明，微胶囊形貌主要受囊壁组成及配比影响，粒径和粒径分布则主要由搅拌速率、搅拌时间、乳化剂用量控制。
2、三氟化硼乙醚络合物的强吸水性和高反应活性导致对其直接包裹困难，为此，设计中空胶囊对它进行“间接”包裹，即将三氟化硼乙醚络合物通过渗透扩散方式进入中空胶囊，实现装载。通过新设计的紫外辐射界面自由基聚合与微泡模板技术相结合的方法，制备粒径1～10μm的空心胶囊，并对胶囊形成机理进行探讨。结果表明，胶囊的粒径与微泡粒径基本相当，主要由搅拌速率和乳化剂浓度控制；而囊壁组成不仅影响中空胶囊形貌，而且也影响胶囊的性质和胶囊产率。空心胶囊对修复固化剂BF3.O(C2H5)2的装载能力与胶囊的表面性质相关，BF3.O(C2H5)2的最大装载浓度范围为13.86～23.87wt％。
3、针对三氟化硼乙醚难包裹的困难，本工作采用多孔介质(炭黑、活性碳纤维、剑麻纤维)装载三氟化硼乙醚络合物。对这三种修复固化剂载体的理化性能(表面化学结构、孔结构、表面形态)进行表征；研究这三种载体对BF3.O(C2H5)2的负载情况(负载浓度及其随时间的变化关系)；对已负载固化剂载体(炭黑、活性碳纤维、剑麻纤维)进行聚苯乙烯包覆改性并研究其稳定性和包覆改性层的致密程度。研究表明：活性碳纤维、炭黑、剑麻纤维对BF3.O(C2H5)2的负载能力与载体本身的结构，特别是表面结构和表面性能相关。这三种载体对BF3.O(C2H5)2的最大负载量分别为：剑麻纤维(32wt％)，活性碳纤维(18wt％)，炭黑(11wt％)。
4、考察了环氧胶囊与四种修复固化剂配伍所制备自修复环氧树脂基材料的自愈合效率和材料的基本力学性能，对环氧胶囊和固化剂含量进行优化；对固化剂而言，重点考察不同载体在最大负载能力/同一填充水平下以及不同载体填充水平/相同修复固化剂浓度下材料的自修复性能；研究修复剂环氧胶囊种类、尺度、以及修复温度、修复时间对材料自愈合性能的影响。研究表明：修复剂微胶囊填充赋予材料修复性能的同时也降低了材料力学性能，至于四种修复固化剂载体填充，因载体的尺寸、负载能力不同，对材料修复性能和力学性能的影响也不相同。兼顾材料修复效率和力学性能两方面因素，优化的修复剂胶囊填充量为5wt％；而四种修复固化剂载体在各自最大负载水平下，其优化填充量分别为：剑麻纤维(0.75wt％)，活性碳纤维(1.3wt％)，炭黑(2.0wt％)，中空胶囊(1wt％)。修复效率主要由体系提供的修复剂和修复固化剂浓度、以及修复温度和修复时间决定；而材料的力学性能与修复剂容器(包括修复剂胶囊和修复固化剂载体)的尺寸以及填充量密切相关。在修复剂胶囊和各载体优化填充量下，室温经历2小时修复，各体系获得的修复效率和冲击性能下降分别为：剑麻纤维(修复效率84％，冲击性能下降12％)，活性碳纤维(修复效率73％，冲击性能下降8％)，炭黑(修复效率68％，冲击性能下降14％)，中空胶囊(修复效率83％，冲击性能下降18％)。
5、通过DSC、FTIR对修复体系的反应动力学进行研究，并辅以显微拉曼对修复材料断面的形貌及修复反应的原位观察，为修复材料的修复行为提供了化学反应证据和实验依据。结合SEM、EDS对修复断面进行观察和分析，以及修复性能的长效性和多次修复行为进行考察，揭示了材料的微观修复机制，包括修复剂与修复固化剂的释放、扩散、迁移以及发生修复反应，直至完成自愈合行为。研究表明：修复剂胶囊以及修复固化剂胶囊的微观释放机制为：裂纹扩展导致胶囊破裂的瞬间靠毛细管虹吸作用将修复物质释放至裂纹平面；对活性碳纤维、炭黑和剑麻纤维这三种载体而言，修复固化剂是通过扩散-迁移作用缓慢释放至修复材料内部。