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  全面認識碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的熱氧老化機理，有助于對其壽命進行合理預測。與實驗相比，通過ReaxFF MD模擬方法可獲取豐富的老化反應機理，但這些機理多基于對特定化學反應的識別，無法反映材料整體的老化反應特征；且針對復合材料，與界面相關的熱氧老化行為未在模擬中得到充分的關注。因此，深度解析碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的熱氧老化反應全景，并為其與界面相關的老化行為提供新見解，具備至關重要的意義。

  近期，清華大學盧滇楠教授、楊睿教授團隊以ReaxFF MD模擬為主，以傳統(tǒng)MD模擬和機器學習方法為輔，研究了碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的熱氧老化機制。在該工作中，樹脂基體所受拉伸應力與其內部熱氧老化反應之間的可解耦性首先得到驗證。隨后，碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料對拉伸應力響應的各向異性得到驗證，即：平行于纖維方向的抗拉強度（圖1）遠高于垂直于纖維方向，其拉伸應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的老化反應特性，纖維—樹脂界面結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事件發(fā)生概率，限制其老化程度（圖2）。重構了老化反應機理研究方法，由對化學反應的識別轉變?yōu)閷瘜W鍵的識別，揭示了樹脂網絡骨架中羥基、醚鍵和 C-N 鍵的高斷裂概率（圖3），與前人實驗結論相符。結合軌跡跟蹤和數據分析可知，這些高斷裂概率化學鍵的斷裂，與主產物的生成密切相關（圖4a），可基于體系的化學鍵信息，實現(xiàn)對老化產物分布（圖5）、老化產物斷鍵機理（圖6）的高效預測。同時，體系化學鍵總數目與材料垂直于纖維方向的極限抗拉強度（薄弱環(huán)節(jié)）呈線性相關（圖4c）。通過構建“產物—化學鍵—力學性能”之間的緊密關聯(lián)（圖4d），可揭示碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的熱氧老化全景，為后續(xù)新型壽命預測模型的開發(fā)奠定理論基礎。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博士生張帆。該研究得到國家重點研發(fā)計劃的支持。

圖1 碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料平行于纖維方向的拉伸測試

 圖2 碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料與界面相關的熱氧老化反應特性

 圖3 基于化學鍵識別的熱氧老化反應機理研究方法

 圖4 “產物—化學鍵—力學性能”關系圖示

 圖5 基于化學鍵信息預測老化產物分布

 圖6 基于化學鍵信息預測老化產物斷鍵機理

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