环氧分子在碳纤维表面相互作用的分子模拟研究

论文摘要

界面是连接增强纤维和基体的极其重要的微观结构,对复合材料的物理机械性能有着至关重要的影响。为了研究聚合物基复合材料界面的微观结构对其物理机械性能的影响,本文采用分子模拟方法,设计了碳纤维/环氧分子复合层的界面结构,对界面相互作用能进行了细致地分析和研究,并改进了界面剪切模型,对界面剪切行为进行了进一步探索。首先使用Materials Studio软件以石墨层为基础从分子水平设计碳纤维表面结构,建立了具有不同羟基或氨基接枝率的碳纤维表面,并建立了碳纤维与环氧分子界面模型。通过模拟环氧分子在碳纤维表面吸附过程中的能量变化,分析界面相互作用能的组成。计算结果显示:复合材料体系界面相互作用能主要由环氧分子-纤维表面碳原子间的相互作用和环氧分子-纤维表面接枝官能团间的相互作用两方面构成,二者共同决定相互作用能的大小。两项能量分量随官能团接枝率的变化趋势相反,界面相互作用能并不随着官能团接枝率的增加而持续升高,界面相互作用能最低时的接枝率为纤维表面最佳官能团接枝率。通过界面相互作用能的比较与分析,得出表面接枝官能团能够提高界面强度,对于不同的官能团,存在不同的最佳接枝率。官能团种类和官能团的碳链长度对界面相互作用能均有影响。对复合材料界面模型进行剪切模拟,讨论了纤维表面官能团接枝率对界面剪切强度的影响。在非周期性边界条件下的非动力学剪切模拟结果表明:氨基接枝率为1.300个/nm2和2.600个/nm2时界面剪切能量最高;在周期性边界条件下的亚动力学剪切模拟结果表明:氨基接枝率为2.600个/nm2和3.900个/nm2时能够破坏界面的最大剪切速率最低。综合比较分析:当氨基官能团接枝率在2.600个/nm2左右时,具有稳定的界面结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的意义
• 1.2 分子模拟的发展现状
• 1.2.1 分子模拟的研究方法
• 1.2.2 分子模拟研究方法的发展
• 1.2.3 分子动力学模拟的原理
• 1.2.4 粒子系综
• 1.3 分子模拟的应用
• 1.3.1 聚合物的结构和性能
• 1.3.2 聚合物的链运动和态转变
• 1.3.3 高分子共混体系的界面形态
• 1.3.4 聚合物表面的吸附行为
• 1.3.5 聚合物化学反应的模拟研究
• 1.3.6 碳纳米管/聚合物基复合材料性能的模拟研究
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 软件介绍和模型建立
• 2.1 软件和模块的介绍
• 2.1.1 软件的介绍
• 2.1.2 模块简介
• 2.2 分子模拟模型的建立
• 2.2.1 复合材料界面模型的建立
• 2.2.2 剪切模型的建立
• 2.3 软件中能量的计算
• 第3章 界面相互作用能的分析
• 3.1 模拟参数的确定
• 3.2 界面相互作用能的分析
• 3.2.1 环氧分子/纤维碳原子层间的作用能与接枝率的关系
• 3.2.2 环氧分子/官能团间的作用能与接枝率的关系
• 3.2.3 官能团接枝率对界面相互作用能的影响
• 3.3 官能团的碳链长度对界面相互作用能的影响
• 3.3.1 不同官能团碳链长度的界面平衡时间
• 3.3.2 官能团碳链长度对界面相互作用能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 界面剪切的研究
• 4.1 剪切模拟的思路
• 4.2 非周期边界条件的非动力学剪切模拟
• 4.2.1 不同官能团接枝率的界面相互作用能与剪切位移的关系
• 4.2.2 氨基接枝率对剪切能量的影响
• 4.3 周期边界条件下的亚动力学剪切模拟
• 4.3.1 剪切过程中能量的变化
• 4.3.2 氨基接枝率对最大剪切速率的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢