碳纤维增强环氧复合材料压缩变形行为的分子动力学机理

Compressive behaviors and deformation mechanism of carbon fiber reinforced epoxy composites: A microscopic and molecular dynamics perspective

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https://doi.org/10.1002/pc.29135

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研究碳纤维复合材料压缩性能在纳观尺度上的力学响应和变形机制可以为复合材料的分子设计和结构优化提供有价值的见解。本文采用分子动力学(Molecular dynamics)研究了碳纤维增强环氧树脂复合材料在压缩过程中微观结构和微观能量的演变，分析了复合材料内部结构从弹性到塑性的转变过程。根据环氧树脂内部应力分布的不均匀性以及碳纤维-环氧界面应力的集中分布，揭示了复合材料压缩过程中环氧树脂破坏和界面分层的分子机制。

正文导读

碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料在服役过程中力学性能的退化会增加工程应用中的安全风险。研究CFRP复合材料的压缩力学性能和变形机理对其结构设计和优化具有重要意义。以往的研究已经揭示了CFRP复合材料在宏观结构和纤维束尺度的压缩失效机制，对于纳观尺度的结构转变和演化模式还没有进行系统地研究。根据碳纤维和环氧树脂的组成成分，本文在分子水平建立了碳纤维/环氧树脂复合材料的分子动力学模型，通过分析微观结构和微观能量的演化以及应力的分布状态揭示了复合材料的压缩变形机理。

旋转半径Rg表示分子链各部分到中心的距离，更小的Rg表明分子链的屈曲程度更高。分子链在压缩载荷下逐渐弯曲，复合材料微观结构逐渐由弹性转变为塑性。二面角是复合材料微观结构的重要性质，主要包括间扭式和反式两种构象。从初始阶段至硬化阶段，分子链的屈曲使二面体构象发生重排，间扭式逐渐变为反式构象，由于反式构象的熵值更低，结构更稳定，这种转变行为是不可逆的。

在压缩过程中，模型的非键能，键拉伸能，键角弯曲能和二面角扭转能随着应变的增大逐渐增加，其中非键能是微观能量变化的主要贡献部分。界面相互作用能表示环氧分子链和碳纤维之间的势能。随着应变的增加，界面相互作用能先增加后减小。压缩过程中分子间距离的减少增加了界面间的相互作用。当碳纤维和环氧树脂间的界面距离达到临界阈值，分子间的排斥力占主导作用，相互作用能逐渐减少。

根据环氧树脂体系中应力的分布可知，环氧树脂内部应力的分布是不均匀的，界面处环氧树脂的应力比上部和中部更低，这是由于界面处的应力由树脂传递至碳纤维体系中。这种应力分布的不均匀性易于形成环氧分子链的滑移，是导致树脂内部微观缺陷和裂纹产生以及扩展的原因，这进一步造成了复合材料力学性能的退化。根据碳纤维体系中的应力分布，界面处的应力较为集中。由于碳纤维和树脂之间模量的显著差异，界面处的应力集中易于导致碳纤维-树脂界面的分层。

本研究在分子水平上对碳纤维增强环氧复合材料的压缩变形机制提供了新的见解。该模型的热力学和动力学信息可以作为中尺度和宏观尺度分析计算的输入数据，有助于系统性地研究和预测复合材料的多尺度力学性能和结构特征。

作者简介

孙宝忠 (通讯作者)

东华大学纺织材料与纺织品设计学科及纺织复合材料学科教授、博士生导师。主要研究方向是纺织材料与纺织品设计领域和纺织复合材料领域的基础理论、关键技术及应用研究，并取得了系列原创性成果。

陈静静 (第一作者)

东华大学硕士研究生，主要研究方向是碳纤维增强环氧复合材料的压缩力学损伤的跨尺度演化。

文章来源：Wiley工程世界

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