在水分饱和条件下，对碳纤维/基体界面力学响应的多尺度研究：来自分子动力学和有限元模拟的见解

《Polymer Degradation and Stability》：Multi-scale study of the mechanical response at carbon fiber/matrix interphase under moisture-saturated conditions: Insights from molecular dynamics and finite element simulations

碳纤维/基体界面在湿度饱和下的多尺度损伤机制及数值分析方法研究。结合分子动力学与有限元模拟，揭示湿度诱导界面脱粘强度降低8.57%的机理，包括分子非键合作用削弱和氢键增强，以及从微观分子滑移到宏观损伤传播的多尺度过程。

　　碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料在航空航天和海洋工程等领域具有广泛的应用，因其轻质高强的特性而备受青睐。然而，这些材料在长期使用过程中，面临着由环境湿度带来的耐久性挑战。特别是，当材料处于高湿度环境时，水分子会迅速扩散进入聚合物基体，并在纤维/基体界面区域积累，最终导致材料达到水分饱和（MS）状态。这一状态对复合材料的性能产生了显著影响，主要体现在纤维/基体界面的力学性能退化，进而引发复合材料的早期失效。因此，深入研究水分饱和状态下纤维/基体界面的力学响应和损伤机制，对于设计更耐湿的复合材料结构至关重要。

在材料科学和工程领域，纤维/基体界面是决定复合材料整体性能的关键区域。其不仅承担着将纤维承载的应力传递至基体的功能，还在材料的疲劳、断裂等行为中发挥重要作用。然而，由于该界面具有复杂的多尺度物理梯度特性，传统的实验和分析方法往往难以准确揭示其内在的力学行为。水分的存在进一步加剧了这一问题，因为水分子与纤维和基体之间可能形成多种非键合相互作用，如范德华力和静电作用，同时还会破坏原本存在的化学键合，从而影响界面的结合强度和力学性能。

为了克服这一难题，研究者们提出了多尺度数值分析方法，将分子动力学（MD）模拟与有限元（FE）分析相结合，以全面揭示水分饱和状态下纤维/基体界面的力学退化和损伤机制。该方法首先利用MD模拟对水分饱和状态下界面的微观力学行为进行建模，提取水分诱导的退化系数，用于描述界面在不同湿度条件下的力学响应变化。随后，通过构建指数梯度模型，将这些系数引入到FE分析中，对具有有限厚度的纤维/基体界面进行宏观化处理，从而能够模拟和预测在水分饱和条件下界面的损伤演化过程。这种方法不仅能够揭示分子尺度上的损伤起始机制，还能分析在微观尺度上裂纹扩展的路径和模式，最终实现对复合材料整体性能的准确预测。

水分饱和对纤维/基体界面的影响主要体现在两个方面：一是水分分子与纤维表面之间的非键合相互作用会显著削弱界面的结合强度，二是水分的扩散行为会导致局部区域的应力集中，从而引发裂纹的形成和扩展。在分子尺度上，水分分子会占据纤维表面的活性位点，减少纤维与基体之间的化学键合数量。同时，水分分子之间的氢键作用会增强，这可能会在一定程度上补偿部分键合强度的损失，但整体而言，水分的存在仍然会显著降低界面的结合性能。在微观尺度上，水分的扩散行为可能导致局部区域的应力分布不均，从而在界面处形成薄弱点。这些薄弱点在受到外加载荷时容易成为裂纹的起始位置，并沿着特定的路径扩展，最终导致复合材料的宏观失效。

此外，水分饱和还可能改变纤维/基体界面的物理性质，例如其弹性模量、塑性行为以及粘弹性特性。这些变化不仅影响了界面的力学性能，还可能改变其在复合材料中的作用机制。例如，在干燥状态下，界面可能表现出较强的刚性和脆性，而在水分饱和状态下，其可能变得更加柔软和延展性更强，从而影响复合材料的整体承载能力和失效模式。因此，理解水分饱和状态下界面的物理性质变化对于准确预测复合材料的性能至关重要。

在实际应用中，水分饱和往往发生在复合材料服役过程中，特别是在高湿度或潮湿环境中。这种环境下的水分渗透不仅会直接影响纤维/基体界面的性能，还可能通过改变基体的物理和化学性质，间接影响纤维的性能。例如，水分可能导致基体发生塑化现象，降低其硬度和强度，从而进一步削弱纤维/基体界面的结合能力。此外，水分还可能在纤维表面形成毛细应力，导致纤维发生微裂纹或变形，这些现象都可能加剧复合材料的失效过程。

为了更准确地模拟水分饱和状态下纤维/基体界面的力学行为，研究者们采用了一种结合MD模拟和FE分析的多尺度方法。这种方法首先通过MD模拟对水分分子在界面区域的分布和相互作用进行建模，从而获得水分诱导的退化系数。这些系数被用来构建一个指数梯度模型，以描述界面在不同位置上的物理性质变化。随后，通过FE分析对微滴脱粘实验进行建模，以量化水分饱和对界面剪切强度的影响。这种方法的优势在于，它能够在分子尺度上揭示水分对界面的微观影响，同时在宏观尺度上预测界面的损伤演化和裂纹扩展路径，从而实现对复合材料整体性能的准确评估。

在实验验证方面，研究者们采用了微滴脱粘测试方法，该方法能够直接测量纤维/基体界面的剪切强度。通过在干燥和水分饱和条件下进行微滴脱粘测试，研究者们获得了界面剪切强度的具体数值，并将其与MD模拟和FE分析的结果进行对比。结果显示，水分饱和状态下界面的剪切强度显著降低，表明水分对界面的力学性能产生了不利影响。此外，通过微滴脱粘测试的反演分析，研究者们能够校准FE模型中的关键参数，从而提高模型的预测精度。

该研究的成果表明，多尺度数值分析方法能够有效揭示水分饱和状态下纤维/基体界面的损伤机制，并为复合材料的耐湿设计提供理论依据。通过结合MD模拟和FE分析，研究者们不仅能够理解水分对界面的微观影响，还能预测其在宏观尺度上的表现。这种方法的应用有助于开发更耐湿的复合材料，提高其在恶劣环境下的服役寿命和可靠性。此外，该研究还为后续的复合材料性能优化和损伤控制提供了新的思路和工具，推动了多尺度分析在材料科学中的进一步发展。