基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法

本发明涉及于复合材料界面增强设计领域，具体为一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法。

背景技术：

1、碳纤维增强树脂基复合材料因其在风力发电、轻型运输车辆和航空航天工程领域的广泛应用而被认为是领先的通用材料，在这些领域中，需要其优异的强度与重量比。增强纤维和基体的强界面结合是可进一步增强复合材料的机械性能的重要关联因素，其中调控的方法之一为上浆剂的涂覆改性。经过有效控制上浆剂的结构，调控得到复合材料界面强度的理想分布，可有效解决当前增强树脂基复合材料界面拉伸强度低、剪切强度低和弯曲强度低的问题。当前实验检测手段难以从本质(原子尺度)上揭示界面性能参数与复合材料性能的本质联系，导致实验调控成本高，周期长及分析难，难以取得突破性进展，而分子动力学理论研究可从原子尺度上定性地和直观地为复杂的纤维/基质界面设计提供有利的支撑。

技术实现思路

1、本发明为了解决当前实验检测手段难以从本质(原子尺度)上揭示界面性能参数与复合材料性能的本质联系，导致实验调控成本高，周期长及分析难，难以取得突破性进展的问题，提供了一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法。

2、本发明通过分子动力学计算，根据牛顿第二定律模拟体系内原子的运动，基于分子间相互作用函数模拟粒子之间力的关系，以此为基础进一步计算体系的力学性质；而且能够定量化上浆剂的结构及动力学性能，从而调控复合材料界面结构属性和复合材料力学性能。根据界面物理和化学特性的变化对界面进行细分，从原子尺度剖析界面相内的不同界面层与复合材料的力学性能的关联关系，基于此达到低成本复合材料界面设计的目的。

3、本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法，包括如下步骤：

4、步骤1：构建上浆剂涂覆碳纤维增强环氧树脂基复合材料分子模型：具体如下：

5、1)采用materials studio构建未修饰碳纤维及氧化基团修饰的碳纤维模型。所述氧化基团修饰的碳纤维模型，所含官能团种类有羟基、环氧基、羧基，氧化率为0-30.0％；通过改变官能团种类及含量，以实现其与基体、上浆剂的不同相互作用。

6、2)构建不同链长的上浆剂分子结构及上浆剂层无定形模型、环氧树脂和固化剂混合无定形模型。不同链长的环氧树脂上浆剂分子结构模型是通过改变二酚基丙烷和环氧氯丙烷不同摩尔配比、上浆剂官能团种类、分布、不同平均分子量和不同环氧值参数而获得。

7、3)组装碳纤维、不同链长上浆剂层无定形模型、环氧树脂和固化剂混合模型，构建得到上浆剂涂覆碳纤维增强环氧树脂基复合材料分子模型。上浆剂层无定形模型，及环氧单体和固化剂的混合无定形模型是采用amorphous cell模块构建的无定形模型；环氧单体与固化剂分子数比例为1:1-1:6；上浆剂层、环氧单体和固化剂的混合物基体的质量比为0-30.0％，不包括0；组装模型中碳纤维质量：环氧单体和固化剂的混合物基体的质量比范围为40：60—70：30。

8、步骤2：对步骤1中的所建立的上浆剂涂覆碳纤维增强环氧树脂基复合材料模型经力场参数设置后，进行结构弛豫和分析；具体如下：

9、1)上浆剂涂覆碳纤维增强环氧树脂基复合材料模型进行力场参数设置，所采用的力场为compass力场；

10、2)上浆剂涂覆碳纤维增强环氧树脂基复合材料模型的结构弛豫和分析，消除残余应力，参数设置如下：选用forcite模块中的anneal功能；设置3个退火循环；选用nvt系综；在每个退火循环过程中设置温度从300k上升到600k；控温方式选择nosé恒温器；时间步长为1fs；总共进行100ps的退火驰豫过程；结构弛豫结束后，筛选得到能量最低的分子构型。

11、步骤3：对步骤2中的结构弛豫后的上浆剂涂覆碳纤维增强环氧树脂基复合材料模型进行升温固化。具体工艺条件为：采用的方法为perl语言编写交联脚本，进行上浆剂内的环氧基团、环氧单体分子结构内的环氧基团与固化剂的交联固化，具体过程为：交联固化温度设定为600k，交联距离为目标交联度>90％，采用compass力场，静电力采用ewald方法，电荷分配方式采用atom-based方法。

12、步骤4：对步骤3中的升温固化后的上浆剂涂覆碳纤维增强环氧树脂基复合材料模型进行降温及结构弛豫。具体参数为：对升温固化后的上浆剂涂覆碳纤维增强环氧树脂基复合材料模型采用reaxff反应力场进行从600k到300k的降温处理；之后在300k下采用nvt和npt系综分别进行50-500ps的结构弛豫，时间步长为0.25fs，控温方式选择nosé恒温器。

13、步骤5：对步骤4中降温及结构弛豫后的上浆剂涂覆碳纤维增强环氧树脂基复合材料进行界面属性分析和复合材料力学性能分析。具体过程如下：

14、1)对不同链长上浆剂涂覆碳纤维增强环氧树脂基复合材料进行拉伸强度、弯曲强度、剪切强度和压缩强度的力学性能分析；

15、2)计算不同链长上浆剂与基体的相互作用及链扩展程度；

16、3)计算上浆剂、基体的质量密度分布；

17、4)计算上浆剂、基体的交联密度分布；

18、5)对第2)～4)步的界面属性进行细分，与第1)步不同链长上浆剂涂覆碳纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能进行关联，构建界面设计方法。

19、与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法，能够从原子尺度分析上浆剂调控的复合材料界面结构变化、界面性能分布和动力学性能，并关联界面属性参数与上浆剂涂覆碳纤维增强树脂基复合材料的力学性能。从原子尺度得到上浆剂调控的界面相内不同界面层变化与复合材料性能演变的内在联系，基于此达到高效、低成本复合材料界面设计的目的。

技术特征：

1.一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法，其特征在于：所述步骤1具体如下：

3.根据权利要求2所述的一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法，其特征在于：所述步骤1中的具体参数如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法，其特征在于：所述步骤2具体如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法，其特征在于：所述步骤3具体工艺条件如下：

6.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法，其特征在于：所述步骤4具体参数如下：

7.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法，其特征在于：所述步骤5具体过程如下：

技术总结
本发明公开了一种基于分子动力学的上浆剂调控碳纤维增强复合材料界面设计方法，涉及于复合材料界面增强设计领域。本发明通过分子动力学计算，根据牛顿第二定律模拟体系内原子的运动，基于分子间相互作用函数模拟粒子之间力的关系，以此为基础进一步计算体系的力学性质；能够从原子尺度分析上浆剂调控的复合材料界面结构变化、界面性能分布和动力学性能，并关联界面属性参数与上浆剂涂覆碳纤维增强树脂基复合材料的力学性能，根据界面物理和化学特性的变化对界面进行细分，从原子尺度剖析界面相内的不同界面层与复合材料的力学性能的关联关系，为复合材料的定向、高效、快速的界面强度渐变设计和力学性能优化提供依据，大大节省成本。

技术研发人员：马媛媛,赵贵哲,刘亚青,王江涛
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13