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清华大学卢滇楠教授、杨睿教授团队 Macromolecules:碳纤维/环氧树脂复合材料与界面相关的热氧老化全景图

   日期:2024-05-06     来源:高分子科技    浏览:98    评论:0    
核心提示:全面认识碳纤维/环氧树脂复合材料的热氧老化机理,有助于对其寿命进行合理预测。与实验相比,通过ReaxFF MD模拟方法可获取丰富的老化反应机理,但这些机理多基于对特定化学反应的识别,无法反映材料整体的老化反应特征;且针对复合材料,与界面相关的热氧老化行为未在模拟中得到充分的关注。因此,深度解析碳纤维/环氧树脂复合材料的热氧老化反应全景,并为其与界面相关的老化行为提供新见解,具备至关重要的意义。
 全面认识碳纤维/环氧树脂复合材料的热氧老化机理,有助于对其寿命进行合理预测。与实验相比,通过ReaxFF MD模拟方法可获取丰富的老化反应机理,但这些机理多基于对特定化学反应的识别,无法反映材料整体的老化反应特征;且针对复合材料,与界面相关的热氧老化行为未在模拟中得到充分的关注。因此,深度解析碳纤维/环氧树脂复合材料的热氧老化反应全景,并为其与界面相关的老化行为提供新见解,具备至关重要的意义。

 

近期,清华大学卢滇楠教授、杨睿教授团队以ReaxFF MD模拟为主,以传统MD模拟和机器学习方法为辅,研究了碳纤维/环氧树脂复合材料的热氧老化机制。在该工作中,树脂基体所受拉伸应力与其内部热氧老化反应之间的可解耦性首先得到验证。随后,碳纤维/环氧树脂复合材料对拉伸应力响应的各向异性得到验证,即:平行于纤维方向的抗拉强度(图1)远高于垂直于纤维方向,其拉伸应力主要来自于纤维的拉伸,在极限情况下,纤维—树脂界面将发生滑脱。首次分析了材料与界面相关的老化反应特性,纤维—树脂界面结合相互作用限制了靠近界面处树脂原子的热迁移能力,从而降低了界面相区域中树脂的老化反应事件发生概率,限制其老化程度(图2)。重构了老化反应机理研究方法,由对化学反应的识别转变为对化学键的识别,揭示了树脂网络骨架中羟基、醚键和 C-N 键的高断裂概率(图3),与前人实验结论相符。结合轨迹跟踪和数据分析可知,这些高断裂概率化学键的断裂,与主产物的生成密切相关(图4a),可基于体系的化学键信息,实现对老化产物分布(图5)、老化产物断键机理(图6)的高效预测。同时,体系化学键总数目与材料垂直于纤维方向的极限抗拉强度(薄弱环节)呈线性相关(图4c)。通过构建“产物—化学键—力学性能”之间的紧密关联(图4d),可揭示碳纤维/环氧树脂复合材料的热氧老化全景,为后续新型寿命预测模型的开发奠定理论基础。该工作以“Panoramic View of Interface-Related Thermo-oxidative Aging of Carbon Fiber-Reinforced Epoxy Composites”为题发表在《Macromolecules》上(DOI:
10.1021/acs.macromol.4c00383)。文章第一作者为清华大学博士生
张帆。该研究得到国家重点研发计划的支持。

该工作是团队近期关于碳纤维/环氧树脂复合材料老化机制的最新进展。在该工作中,面向碳纤维/环氧树脂复合材料的热氧老化场景,该团队贯彻了理论与数据共同驱动的研究理念,从微观层面获取了较为全面的老化机制图景,在未来,如何用好“计算模拟”与“数据科学”这两把钥匙,开启材料寿命评价新方法这扇门,将是一个前景光明且值得思考的问题。

 

图1 碳纤维/环氧树脂复合材料平行于纤维方向的拉伸测试

 

图2 碳纤维/环氧树脂复合材料与界面相关的热氧老化反应特性

 

图3 基于化学键识别的热氧老化反应机理研究方法

 

图4 “产物—化学键—力学性能”关系图示

 

图5 基于化学键信息预测老化产物分布

 

图6 基于化学键信息预测老化产物断键机理

 

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c00383

 
 
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