石墨烯增强纤维-树脂界面的多尺度力学性能调控：结构参数对复合材料性能的影响机制

针对碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料界面性能优化难题，本研究通过分子动力学(MD)与有限元(FEM)多尺度建模，揭示了石墨烯涂层高度、密度及排列方式对界面力学性能的调控规律。研究发现适度石墨烯层可提升界面粘结强度，但过量会导致性能下降，且均匀排列显著改善断裂性能。该研究为纳米材料界面工程提供了可量化设计框架。

　　

碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料因其卓越的强度重量比和化学稳定性，已成为航空航天、汽车工业等领域的关键材料。然而，碳纤维(CF)表面光滑且化学惰性的石墨烯结构导致纤维与树脂基体界面粘结薄弱，成为制约材料性能的瓶颈。传统纳米材料涂层优化依赖试错法，耗时耗力；而现有表征技术难以捕捉纳米尺度界面失效过程。这些挑战亟需建立跨尺度理论框架，将原子尺度界面特性与宏观力学性能相关联。

陕西某研究团队在《Polymer》发表研究，创新性地整合分子动力学(MD)和有限元(FEM)方法，构建了从纳米到宏观的多尺度分析平台。通过MD模拟获取石墨烯改性界面的牵引-分离(T-S)响应，结合内聚力模型(CZM)实现跨尺度参数传递，系统考察了涂层高度、密度和排列方式对CFRP性能的影响。关键技术包括：采用LAMMPS软件进行全原子MD模拟，建立含DFEBF环氧树脂和Jeffamine D230固化剂的界面模型；通过位移控制法获取拉伸/剪切/混合模式下的T-S曲线；基于MD结果参数化CZM，并嵌入FEM评估宏观力学性能。

分子动力学模拟部分
研究构建了包含原始碳纤维(PM)和五种石墨烯改性界面的对比模型。拉伸失效分析显示，树脂可分为表面区(SR)、近固定区(NFR)和中间区(IR)。PM模型失效始于SR树脂与CF的界面分离，而石墨烯改性界面通过机械互锁效应延缓失效。值得注意的是，当石墨烯层高度超过1.5nm时，树脂渗透难度增加，反而降低界面强度。

界面剪切行为研究
剪切模拟揭示石墨烯排列方式的关键作用：平行排列样品通过最大化接触面积使剪切强度提升47.8%，而垂直排列因应力集中效应导致性能下降。密度优化实验表明，0.38g/cm³涂层密度可实现强度与韧性的最佳平衡。

混合模式失效分析
通过建立混合模式比(MMR)参数空间，发现拉伸主导(MMR>1)时界面失效由树脂内聚破坏控制，而剪切主导(MMR<1)时则表现为界面滑移。石墨烯改性使失效模式从脆性断裂转变为渐进式分层。

宏观性能预测
将MD衍生的CZM参数导入FEM后，模拟显示优化涂层可使复合材料层间剪切强度提升32.7%。宏观破坏形态分析证实，石墨烯改性通过促进裂纹偏转和纤维桥联效应，显著改善能量吸收能力。

该研究建立了首个量化石墨烯结构参数-界面性能-宏观力学响应的完整关联体系，突破传统试错法的局限性。发现涂层高度存在1.2-1.5nm最优区间，密度阈值约为0.4g/cm³，且平行排列具有显著优势。所开发的多尺度框架可推广至其他纳米材料界面优化，为航空复合材料设计提供理论指导。研究团队特别指出，未来工作将结合机器学习加速参数优化流程，推动复合材料界面工程进入精准设计时代。