运载复合材料是专为航空、航天及新能源汽车等领域设计的高性能材料。通过将碳纤维、陶瓷等增强体与树脂、金属等基体复合，兼具轻质、高强度、抗腐蚀等优势。本期精选碳纤维为增强体、树脂基为基体的复合材料，深入探究其界面稳定性、力学性能及空化机理等核心性质。接下来带您详细解析这类材料的创新应用：
复合应力状态下环氧树脂总的空化现象研究
树脂与固化剂交联形成的三维网状环氧树脂具有许多优良的热力学性能，已经作为涂料、封装材料、交联剂等广泛应用于国防及民用工业的各个领域。但负载条件下，环氧树脂膨胀、老化、力学性能下降及由此导致的界面开裂等问题日益凸显。本研究采用分子动力学方法研究了不同负载条件下环氧树脂内部的空化现象和破坏机理[1]。
研究人员借助MedeA Amorphous Materials Builder模块创建双酚A与交联剂分子混合的无定型模型，随后用MedeA Thermoset Builder模块对体系进行交联反应模拟创建环氧树脂的固化模型。MedeA LAMMPS结合Deformation研究不同应变大小和不同温度下单轴、等双轴和等三轴拉伸过程。研究发现：单轴载荷下，应变达125%时，应变软化区附近开始出现空洞；等双轴载荷下，体系无应变硬化，软化区域紧跟着弹性形变区，与单轴载荷相比，软化状态下出现空洞时间较早；等三轴载荷，应变软化比前两种情况更明显，相同应变下的孔隙体积分数显著增大。综上，三种情况下的后弹性响应表现出显著的差异，孔隙的形成和演化对应力高度依赖。本研究为环氧树脂的空化脆性断裂以及韧性应变硬化型响应提供了合理的解释。
图1 单轴载荷下环氧树脂的空化现象和应力应变曲线
图2 等双轴载荷下环氧树脂的空化现象和应力应变曲线
聚合物-单壁碳纳米管复合材料的弹性模量研究
碳纳米管（CNTs）因其独特的机械、光学和电子特性，成为材料科学领域中的热门研究对象。将单壁碳纳米管（SWCNTs）添加到聚合物中，能够显著提升其强度、刚度、导电性等性质，然而添加过多的碳纳米管会降低复合材料的力学性能，甚至造成不良的界面相容性和分散性，影响负载传递和整体性能。本研究通过分子动力学模拟探讨了SWCNTs对聚合物复合材料弹性模量的影响[2]。
研究人员采用MedeA Nanostructure Builder功能创建锯齿形、椅型和手性单壁碳纳米管（SWCNTs）结构，随后用MedeA AmorphousMaterials Builder模块创建丙烯无定型结构及聚丙烯/碳纳米管复合材料体系结构。MedeA LAMMPS结合MT模块计算不同浓度聚丙烯、聚丙烯/碳纳米管复合材料的机械性能。研究发现：SWCNTs浓度增加初期会提高复合材料强度，同时提高复合材料的玻璃化转变温度，但超过临界点后强度迅速下降。大直径SWCNTs降低复合材料强度；高浓度下，纳米管的具体结构类型对复合材料的强度影响不大。本研究探索了碳纳米管在聚合物中的有效分散和增强机制，对于设计性能优异的聚合物/碳纳米管复合材料至关重要。
图1 单壁碳纳米管类型
图2 聚丙烯/碳纳米管复合材料结构
图3 纯聚丙烯（PP）及SWCNT浓度为2-10%的PP的弹性模量计算值；(a) 杨氏模量的变化；(b) 剪切模量的变化；(c) 体积模量的变化；(d) 泊松比的变化
聚乙烯-氧化铝界面强度和拉伸行为的分子模拟研究
食品饮料容器常采用多层复合（如聚乙烯（PE）片粘合铝箔）材料以延长保质期，其界面粘附性质依赖表面处理如加入极性官能团，增强PE与氧化铝的粘附。本案例系统探究引入碳基和羟基官能团的聚乙烯与α−Al2O3界面强度及拉伸行为[3]。
研究人员通过MedeA Polymer Builder创建PE聚乙烯分子结构，之后用MedeA AmorphousMaterials Builder模块创建聚乙烯无定型模型；随后用MedeA LAMMPS结合Deformation对体系进行单轴拉伸模拟，计算应力应变曲线。结果表明，聚合物的变形局限在内部，包括链滑移、解缠和脱离基体，后者受到掺杂显著影响；官能团的加入不改变核心变形机制，但脱离时产生牵引尖峰，显著增加断裂功。本研究揭示了官能团对界面力学性质的影响，为食品包装等多层复合材料设计提供了理论依据。
图1 聚乙烯-氧化铝界面拉伸曲线及模型示意图
图2 聚乙烯-氧化铝界面中羰基从基材中脱离示意图
环氧树脂/无机纳米复合材料的界面性质研究
环氧树脂中，加入一些无机纳米填充剂可有效提高复合材料的力学性能。本案例中通过MedeA Environment创建羟基化表面SiO2体系，之后创建由 γ−APS（硅烷偶联剂）组成的底漆分子层并键合到SiO2羟基上[4]；采用MedeA AmorphousMaterials Builder模块创建环氧树脂体系，将环氧树脂和硅烷偶联剂涂敷的SiO2形成界面模型；之后在MedeA Thermoset Builder模块中做固化反应并平衡体系。研究人员用MedeA MT模块计算体系垂直于界面的弹性系数，从而推出界面的刚度系数，结果表明硅烷偶联剂的覆盖能够有效消除界面处的内应力，降低刚度系数。综上，环氧树脂中加入无机纳米填充剂有效提升复合材料机械性能。
图1 MedeA中创建的环氧树脂/无机纳米复合材料
图2 MedeA MT计算的力学性质
参考文献：
[1] Anupam Neogia, Nilanjan Mitrab, Ramesh Talreja. Composites: Part A 106 (2018) 52–58
[2] Shamsieva, A., Evseev, A., Piyanzina, I. et al. International Journal of Molecular Sciences, 24(14), 11807
[3] Par A.T. Olsson. Erik Bergvall Computational Materials Science 187 (2021) 110075
[4] Tutorial-Building-Oxide-Primer-Epoxy-Interface
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