氧化蚀坑对非晶碳和碳纤维拉伸行为的分子动力学模拟研究及其在热防护系统中的应用

为解决碳基热防护材料(PICA)在极端环境下力学性能退化机制不明的问题，Victoria Arias等研究人员采用AIREBO势函数和LAMMPS分子动力学模拟，系统研究了氧化蚀坑对非晶碳(AC)和碳纤维(CF)弹性模量的影响。研究发现蚀坑导致AC和CF的弹性模量分别降低18.7%和13.7%，证实了FiberForm材料失效始于粘结剂的假设，为理解碳基TPS材料的氧化-力学耦合机制提供了原子尺度见解。

　　

当航天器以超高速再入大气层时，其热防护系统(TPS)表面温度可达数千摄氏度。酚醛浸渍碳烧蚀材料(PICA)作为最先进的TPS材料，其核心组分FiberForm由碳纤维和酚醛树脂碳化形成的粘结剂构成。然而在极端热化学环境下，材料表面会发生氧化蚀坑、剥落等复杂损伤，导致力学性能急剧下降。目前宏观尺度的材料响应模型虽能预测整体行为，但对微观失效机制的理解仍不充分，特别是氧化蚀坑如何影响不同碳组分（高度有序的碳纤维与无序的非晶碳粘结剂）的力学性能尚不明确。

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的研究团队在《Carbon Trends》发表研究，首次通过原子尺度模拟揭示了氧化蚀坑对碳材料力学性能的定量影响。研究人员采用多尺度研究方法：首先基于SEM实验数据提取真实蚀坑形貌，通过MATLAB图像处理转化为原子尺度模型；随后运用LAMMPS分子动力学平台和AIREBO势函数，构建了6种密度(1.27-2.93 g/cm³)的非晶碳(AC)模型和PAN基碳纤维(CF)模型；最后通过单轴拉伸模拟比较原始结构与蚀坑结构的力学响应，并结合径向分布函数(RDF)、X射线衍射(XRD)等表征手段验证模型可靠性。

在材料表征方面，研究通过配位数分析发现AIREBO势函数会高估sp²键含量（低密度AC达90%），这与该势函数倾向于形成无序结构的特性有关。径向分布函数显示随着密度增加，AC的第一近邻峰从石墨特征(1.42 ?)向金刚石特征(1.54 ?)转变。XRD模拟表明低密度AC(1.79 g/cm³)与实验测得的Varcum树脂碳化产物最为接近，都具有典型的非石墨化碳的宽衍射峰。

力学性能测试获得关键发现：所有密度AC的应力-应变曲线均呈线性，但蚀坑导致弹性模量系统性下降。其中低密度AC(vLD-AC)受影响最大，模量降低18.7%（从34 GPa降至27.6 GPa），而高密度AC(d-AC)仅降低10.6%。碳纤维同样表现出13.7%的模量下降，但绝对值仍高于AC，支持了"FiberForm失效始于粘结剂"的假设。应变率敏感性分析表明，在10⁸-10¹⁰ s^-1范围内，AC的弹性行为基本不受应变率影响。

该研究通过附录详细探讨了AIREBO势函数中扭转能项的取舍问题。发现对于高密度AC，开启扭转项会使sp³含量预测更接近实验值，但对力学性能预测影响不大。这为后续研究选择势函数提供了重要参考。

这项工作的科学价值在于首次量化了氧化蚀坑对碳材料力学性能的原子尺度影响，建立了微观缺陷与宏观性能的关联。实际应用中，研究结果为改进PICA材料设计提供了理论依据：通过增强粘结剂区域的抗氧化性，或调控其碳化程度以优化sp²/sp³比例，有望提升热防护系统的服役可靠性。未来研究可进一步考虑温度效应、多组分耦合等更接近真实环境的复杂因素。