● 摘要
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）和其他复合材料的性能很大程度上取决于纤维与树脂基体间界面的载荷传递能力。科研工作者在这方面做了很多努力，但是由于界面区域尺寸极小和其他一些潜在因素，对界面性能的研究依然十分困难。迄今为止，对界面结合性能的各种研究测试方法还处于一个不稳定、不可靠的状态。本文中介绍了一种新的研究方法，即通过分子建模和模拟不同树脂基体和碳纤维之间的界面作用，尝试了解界面现象的本质，并且改善碳纤维增强树脂基复合材料的界面性能。首先，在X射线光电子能谱（XPS）的数据基础上建立上浆与未上浆的T300与CCF300碳纤维的分子模型；同样地，也建立了树脂基体、固化剂的单体以及固化后树脂的分子模型。随后，在此基础上建立了碳纤维与上浆剂、碳纤维与环氧树脂以及碳纤维与固化剂之间的界面分子模型。在模拟中，双酚A缩水甘油醚（DGEBA）和四缩水甘油基二氨基二苯甲烷（TGDDM）被选用为树脂基体，采用的固化剂有DDS33（3,3-二氨基二苯砜）、DDS44（4,4-二氨基二苯砜）和IPD（异佛尔酮二胺/1 - 氨基-3 - 氨基甲基-3-3,5,5 - 三甲基环己烷）。另外，文中也对可能用作上浆剂的长链聚醚二胺D400、D2000和D4000以及聚醚三胺T403、T300和T5000与碳纤维的相互作用进行了研究。最后，建立了固化后交联树脂的模型，且与带有上浆层的碳纤维共同作用，从而模拟碳纤维增强复合材料界面的真实状态。本文中使用的模拟软件是Materials Studio4.3（Accelrys Software Inc.），在COMPASS (Condensed-phase Optimized Molecular Potentials for Atomistic Simulation Studies)力场下用分子动态模拟（DM）分别计算了各种界面对应的界面结合能，如碳纤维/环氧树脂单体、碳纤维/固化剂、碳纤维/聚醚胺和碳纤维/固化后的环氧树脂，及上浆后的碳纤维/固化后的环氧树脂之间界面的相互作用能。随后，按照真实粘附面积计算了各种界面的粘附功功(WA)。最后，通过WA估算了不同界面的剪切强度(τ)。最终，通过优化后的方法分析了影响粘附力的主要因素，使得对碳纤维增强环氧复合材料界面的设计和优化成为可能。