● 摘要
碳纤维/环氧树脂复合材料具有高强度、高模量、耐热和抗疲劳等性能，广泛地应用于航天和航空等领域。界面对复合材料的力学性能有着至关重要的影响。由于界面研究的复杂性和传统实验手段的局限性，分子模拟受到越来越多的重视。本文通过Materials Studio 4.3软件，系统研究了碳纤维表面分子模型、环氧树脂分子模型和界面分子模型的建模参数；在此基础上讨论了界面微结构对界面结合能的影响。研究结果有望应用于碳纤维/环氧界面设计从而改善复合材料的力学性能，具有重要理论和实际应用价值。本文首先通过对T300和国产碳纤维（CCF）表面进行XPS分析，初步构建了表面分别含有羟基、羰基和羧基的三种碳纤维表面分子模型；然后根据石墨表面Gibbs自由能理论值和能量最低原理确定了COMPASS力场、双层石墨、羟基均匀分布和密度1.77 g/cm3等参数；最后分别讨论了含氧官能团含量对碳纤维势能和表面Gibbs自由能的影响。结果表明：三种官能团含量为25%时势能最低，且羰基和羧基含量在约6%时势能存在一极小值；碳纤维表面Gibbs自由能随羰基和羧基含量的增加而迅速增加，这与实际中碳纤维表面氧化处理后Gibbs自由能增加是一致的。其次，在实际摩尔当量比条件下，初步构建了基于环氧分子双酚A型（DGEBA）和AG80（TGDDM）与固化剂分子二氨基二苯砜（DDS44）和异佛尔酮二胺（IPD）共四种环氧体系的共混、线型和交联模型；优化了元胞参数和环氧树脂密度（1.131g/cm3）；在体系内应力接近于0的条件下，计算了四种环氧体系的弹性性能。结果表明：E51环氧体系（DGEBA和IPD）的共混、线型和交联模型弹性性能结果相似，且与实验数据一致；其它三种环氧体系仅线型和交联模型弹性性能结果一致，且计算得到的拉伸模量和剪切模量比E51体系要大。最后，在含有羟基的碳纤维表面分子模型和三类环氧树脂分子模型的基础上，考虑周期性边界条件与参数匹配原则，初步构建了系列碳纤维/环氧树脂界面模型，优化了退火模拟时间并计算了界面结合能。结果表明：退火模拟时间达到50ps左右时界面结合能趋于稳定；随着碳纤维表面羟基含量的增加，界面结合能先减小后增大，且羟基含量在12.5%时界面结合能最小；E51环氧体系三类环氧树脂模型对界面结合能影响不大；针对这四种环氧树脂体系，CCF与环氧树脂的界面粘结强度均小于T300。本文建立的界面分子模型较为准确地预报了复合材料的界面性能，具有重要实际意义。