● 摘要
界面作为增强体与基体连接的桥梁，对复合材料的物理机械性能有着至关重要的影响。由于界面结构非常复杂且描述理论尚不完整，目前对界面的研究不够深入。分子模拟方法从20世纪50年代至今，已逐渐成为一种重要的分析手段，在科学研究方面起着越来越重要的作用。本课题采用分子模拟的理论与方法，在Materials Studio 4.0软件平台上，针对国产碳纤维/环氧树脂复合材料界面进行了分子模拟研究。一方面，建立了国产碳纤维/环氧树脂复合材料界面分子模型；另一方面，初步探索了界面分子模型的应用，希望界面分子模型能服务于复合材料界面的设计并指导制造工艺。在建立界面分子模型的研究中，首先建立了含有两根高分子长链共1000个原子的线型环氧树脂基体分子模型，同时利用BTCL语言开发了模型化聚合物网络系统的新算法，建立了转变率为93.7％交联环氧树脂基体分子模型；然后，将氧化处理前的碳纤维表面结构假设为完美的石墨晶体，同时将氧化处理后得到的官能团均匀分布在碳纤维表面，分别建立了氧化处理前与氧化处理后的碳纤维表面分子模型；最后，将环氧树脂基体分子模型与碳纤维表面分子模型复合在一起，建立了复合材料界面分子模型。这种双层界面模型的建立方法简便易行，可以用于界面模型及其应用的初步探索研究。在探索界面模型应用的研究中，利用界面分子模型分别计算得到Etotal、Eepoxy和Efiber，在此基础上根据能量守恒计算界面的结合能。进一步地，研究了碳纤维氧化处理作用对碳纤维/环氧界面结合能的影响。研究结果表明，碳纤维的氧化处理导致碳纤维与环氧界面结合能显著增加，VDW色散与VDW定向作用相互抵消，静电能对于界面结合能的贡献最大。另外，线型环氧树脂体系和交联环氧树脂体系在计算界面结合能的过程中所得结果差别不大且表现出相同的规律，而用前者可以大大节省计算资源，因此对碳纤维/环氧界面结合能的计算中可以用线型环氧树脂分子模型和相关的界面分子模型来代替交联结构模型。