碳纤维/树脂界面形成过程的扩散反应分子模拟与机理研究

The interphase of carbon fiber/resin is the very important microstructure of the advanced composites. Herein, the composition and the structure of the interphase play a key role in the composite properties. There are lots of studies on the interphase. However, elucidating the diffusion and reaction mechanism of the interphase formation at molecular scale, so as to control the carbon fiber/resin interphase is still one of the most chanllenging and major problems, which should be solved by the world composite Academia. In response to this key issue, this project aims to combine the microscopic and mesoscopic molecules dynamics into newly developed multiscale simulation method, on the basis of our former simulation and analysis work. The formation process of the carbon fiber/resin interphase, which is conducted in thermal/chemical/mechanical environments, will be investigated. The diffusion movements and the chemical crosslink reactions among the carbon fiber sizing agent, the resin, and the hardener molecules will be revealed, particularly the competition and synergetic mechanism in-between the two behaviors. The simulation results will be validated by advanced nano- and mirco- interphse characterization techniques. Subsequently, effect of process parameters on the interphase chemical compositions, the crosslink density and the distribution profiles will be analyzed. Then the predominant factors for the structure and properties of the carbon fiber/resin interphase region will be obtained, so as to realize the interphase control, which would lay important theoretical and experimental foundations to exploit the potential of the constituent materials properties.

碳纤维/树脂界面是先进复合材料极为重要的微结构，其组成和结构对复合材料性能起着至关重要的影响作用。有关界面研究已有很多，但从分子尺度上阐明碳纤维/树脂界面形成过程的扩散、反应机理，进行碳纤维/树脂界面调控，在国内外均未实现。这已成为目前复合材料领域最具挑战性的重大难题之一。本项目即针对这一关键，拟在申请者已有的模拟分析工作基础上，发展微观分子动力学与介观粒子动力学相结合的多尺度模拟方法，研究碳纤维/树脂界面在热/化学/力作用下的形成过程，揭示碳纤维上浆剂与树脂、固化剂分子间的扩散运动与化学交联反应的竞争协同机制，运用先进的界面微纳表征技术，对分子模拟结果进行验证；进而掌握工艺参数对碳纤维/树脂界面区化学组成、交联密度及其分布的影响规律，明晰影响碳纤维/树脂界面结构性能的材料和工艺主控因素，实现碳纤维/树脂界面调控，为充分发挥材料性能潜力奠定重要理论和实验基础。

按照国家自然科学基金委员会2012年8月17日批准的《项目计划书》内容，本项目全面完成了项目的预期研究目标，主要有：.① 基于宇航用先进碳纤维复合材料的材料组成，建立了多尺度分子模拟方法，对照实际条件确定了模型边界和算法，成功实现了碳纤维/环氧复合材料微结构形成过程的动态模拟。预报了碳纤维上浆剂、树脂、固化剂的相扩散和固化反应对界面形成过程的影响，以及温度、化学反应等因素对界面微区的影响。并采用TEM、EELS测试方法对模拟结果进行了实验验证，掌握了TEM制样方法对定量分析碳纤维复合材料界面区形貌、化学组成等的影响，明晰了其界面尺度介于100-200nm之间。.② 明确了国内外8种T700级和T800级碳纤维的表面微特性，以及上浆剂对调节碳纤维表面化学元素、粗糙度的作用，系统分析了不同种类碳纤维分别与环氧、双马树脂的浸润相容性、界面剪切强度、以及上浆剂与不同树脂的化学反应性，深刻揭示了碳纤维/树脂的界面作用机制，证明界面粘结与纤维/树脂浸润性、上浆剂与树脂反应性等存在强相关关系，而与纤维表面粗糙度、纤维表面化学特征弱相关。.③ 采用分子模拟手段分析了上浆剂中的固化剂组成和上浆量对碳纤维复合材料界面微区交联密度及其梯度分布范围的影响规律，预报了界面微观结构的力学性能和玻璃化转变温度。实验分析明确了上浆剂含量和温度处理对复合材料界面剪切强度、储能模量及界面厚度的调控作用，进而将不同表面状态的碳纤维与环氧树脂复合，研究了碳纤维及其复合材料界面的吸湿敏感性，为其服役特性评价提供了重要基础。.项目共发表学术论文34篇，其中SCI收录29篇，EI收录3篇。培养博士生1人，硕士生3人，均已毕业。所揭示的上浆剂作用原理与界面调控机制有效指导了ZT700、MT700、CCF300等国产碳纤维及其上浆剂的改进提高，获批2014年国防科技进步奖二等奖1项，并为学校获批建立国防科工局高性能碳纤维检测评价中心做出了贡献。