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  全面認(rèn)識碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱氧老化機(jī)理，有助于對其壽命進(jìn)行合理預(yù)測。與實(shí)驗(yàn)相比，通過ReaxFF MD模擬方法可獲取豐富的老化反應(yīng)機(jī)理，但這些機(jī)理多基于對特定化學(xué)反應(yīng)的識別，無法反映材料整體的老化反應(yīng)特征；且針對復(fù)合材料，與界面相關(guān)的熱氧老化行為未在模擬中得到充分的關(guān)注。因此，深度解析碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱氧老化反應(yīng)全景，并為其與界面相關(guān)的老化行為提供新見解，具備至關(guān)重要的意義。

  近期，清華大學(xué)盧滇楠教授、楊睿教授團(tuán)隊(duì)以ReaxFF MD模擬為主，以傳統(tǒng)MD模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)方法為輔，研究了碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱氧老化機(jī)制。在該工作中，樹脂基體所受拉伸應(yīng)力與其內(nèi)部熱氧老化反應(yīng)之間的可解耦性首先得到驗(yàn)證。隨后，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料對拉伸應(yīng)力響應(yīng)的各向異性得到驗(yàn)證，即：平行于纖維方向的抗拉強(qiáng)度（圖1）遠(yuǎn)高于垂直于纖維方向，其拉伸應(yīng)力主要來自于纖維的拉伸，在極限情況下，纖維—樹脂界面將發(fā)生滑脫。首次分析了材料與界面相關(guān)的老化反應(yīng)特性，纖維—樹脂界面結(jié)合相互作用限制了靠近界面處樹脂原子的熱遷移能力，從而降低了界面相區(qū)域中樹脂的老化反應(yīng)事件發(fā)生概率，限制其老化程度（圖2）。重構(gòu)了老化反應(yīng)機(jī)理研究方法，由對化學(xué)反應(yīng)的識別轉(zhuǎn)變?yōu)閷瘜W(xué)鍵的識別，揭示了樹脂網(wǎng)絡(luò)骨架中羥基、醚鍵和 C-N 鍵的高斷裂概率（圖3），與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符。結(jié)合軌跡跟蹤和數(shù)據(jù)分析可知，這些高斷裂概率化學(xué)鍵的斷裂，與主產(chǎn)物的生成密切相關(guān)（圖4a），可基于體系的化學(xué)鍵信息，實(shí)現(xiàn)對老化產(chǎn)物分布（圖5）、老化產(chǎn)物斷鍵機(jī)理（圖6）的高效預(yù)測。同時，體系化學(xué)鍵總數(shù)目與材料垂直于纖維方向的極限抗拉強(qiáng)度（薄弱環(huán)節(jié)）呈線性相關(guān)（圖4c）。通過構(gòu)建“產(chǎn)物—化學(xué)鍵—力學(xué)性能”之間的緊密關(guān)聯(lián)（圖4d），可揭示碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱氧老化全景，為后續(xù)新型壽命預(yù)測模型的開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。該工作以“Panoramic View of Interface-Related Thermo-oxidative Aging of Carbon Fiber-Reinforced Epoxy Composites”為題發(fā)表在《Macromolecules》上（DOI：10.1021/acs.macromol.4c00383）。文章第一作者為清華大學(xué)博士生張帆。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

圖1 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料平行于纖維方向的拉伸測試

 圖2 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與界面相關(guān)的熱氧老化反應(yīng)特性

 圖3 基于化學(xué)鍵識別的熱氧老化反應(yīng)機(jī)理研究方法

 圖4 “產(chǎn)物—化學(xué)鍵—力學(xué)性能”關(guān)系圖示

 圖5 基于化學(xué)鍵信息預(yù)測老化產(chǎn)物分布

 圖6 基于化學(xué)鍵信息預(yù)測老化產(chǎn)物斷鍵機(jī)理

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