碳纤维/环氧复合材料界面的温度依赖性与跨尺度损伤：来自分子动力学和有限元模拟的见解

《Composites Communications》：Temperature-dependence and trans-scale damage of the interface in carbon fiber/epoxy composites: Insights from molecular dynamics and finite element simulations

【字体：大中小】 时间：2026年09月14日 来源：Composites Communications 8.6

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　　•界面在纳米尺度、微观尺度和宏观尺度上的演化变化。•通过分子动力学（MD）模拟确定了树脂和界面的本构参数。•随着温度的升高，界面失效模式从粘附失效转变为内聚失效。•研究了不同温度下界面的能量和自由体积变化。引言碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料由于其出色的比强度和设计灵活性，已

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界面在纳米尺度、微观尺度和宏观尺度上的演化变化。
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通过分子动力学（MD）模拟确定了树脂和界面的本构参数。
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随着温度的升高，界面失效模式从粘附失效转变为内聚失效。
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研究了不同温度下界面的能量和自由体积变化。

引言

碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料由于其出色的比强度和设计灵活性，已成为航空航天、海洋和汽车行业中的关键结构材料[1],[2],[3]。作为连接纤维和树脂的关键桥梁的界面直接影响复合材料的整体机械性能和服务可靠性[4],[5]。当暴露在广泛的温度范围内时，界面会表现出复杂的温度依赖性响应[6],[7],[8]。例如波音777等商用飞机在13公里的巡航高度时，环境温度范围为?30℃至?55℃；在降落过程中，结构会经历30℃至50℃的温度[9],[10]。在恶劣海洋条件下航行的船舶也会面临?60℃至60℃的宽温度范围[11]。同样，由于昼夜和季节性气候变化，汽车的温度波动范围为?30℃至80℃[12]。考虑到CFRP复合材料在各种应用中的实际使用温度，研究在?40℃至80℃温度范围内界面损伤的演变，为工程结构的设计优化和安全评估提供了理论支持。

温度通过影响纤维-树脂的粘接相互作用来调节界面强度[13]。当前的界面表征方法涵盖了多个尺度，包括短梁剪切、三点弯曲、横向纤维束拉伸、微滴剥离和纤维压入测试[14]。研究表明，高温通常会增加界面韧性，但会降低强度，主要是由于温度引起的树脂内在性质的减弱[15]。在低温下，树脂和碳纤维之间的差异热收缩增强了界面粘接[16]。然而，直接观察不同温度下的动态界面演化和损伤机制受到实验分辨率的限制。分子动力学（MD）模拟[17],[18],[19]通过提供对温度依赖性分子链动力学的精确见解克服了这些限制。MD研究证实，在高温下分子运动得到促进，界面裂纹加速形成。这种效应还会受到环境因素的协同作用，特别是氧气或水的暴露[20],[21]。

MD-FE跨尺度耦合为预测界面损伤提供了一种有效方法[22],[23]。所谓“跨尺度”是指在纳米尺度、微观尺度和宏观尺度之间连续的参数传递和机制的相关性。具体来说，从纳米尺度MD模型获得的环氧树脂和碳纤维/环氧界面的本构参数被转移到微观尺度FE模型中，从而实现了从纳米到微米的跨尺度集成。通常，通过引入内聚区模型（CZM）来表征界面损伤行为。例如，Li等人[24]和Wang等人[25]采用了一种跨尺度计算方法，整合了MD和FE模拟来研究复合界面损伤演变和失效模式，为界面失效机制和强度预测提供了新的见解。在微观尺度上，构建了一个包含纤维、树脂和界面的代表性体积元素（RVE）模型，并应用周期性边界条件（PBCs）进行均质化计算。微观成分的复杂机械响应被均质化为宏观有效属性，如弹性常数和峰值强度，从而实现了从微观到宏观的参数传递。基于这种方法，许多研究人员[26],[27],[28]开发了弹性塑性损伤本构模型，以预测在复杂载荷条件下的机械行为和损伤演变。通过这种从纳米尺度到微观尺度再到宏观尺度的层次参数传递和机制联系，可以建立一个全面的跨尺度分析框架。最终，利用纳米尺度和微观尺度的模拟结果逐步阐明宏观机械性能的退化机制。然而，界面参数的温度依赖性调节和跨尺度损伤演变的理解仍然不足。本研究旨在通过MD量化温度依赖性的CZM参数，并将其与FE建模结合，以模拟跨尺度的界面损伤演变，从而弥合这一差距。

本研究通过整合MD模拟、FE分析和TFBT实验（图1），研究了CFRP复合材料在典型使用温度（?40℃至80℃或233 K至353 K）下纳米尺度、微观尺度和宏观尺度上的温度依赖性界面损伤。将MD得出的环氧树脂和界面的本构参数嵌入FE模型，以建立跨尺度相关性。通过MD分析能量演变、自由体积变化、界面模型中的声子振动特性和应变分布，揭示了温度驱动的失效机制。基于随机纤维分布，在FE模型上量化和可视化了界面和树脂损伤的温度效应。最后，通过TFBT实验观察到的温度依赖性失效形态验证了MD和FE模型的跨尺度模拟结果。

章节片段

环氧树脂建模和模拟程序

根据实验中使用的环氧树脂的组成，选择了双酚A的二缩水甘油醚（DGEBA）和甲基四氢邻苯二甲酸酐（MTHPA）来构建交联环氧模型（图2(a)）。根据树脂与固化剂的质量比（100:85），在MD模拟中设置DGEBA与MTHPA的分子比为4:7。使用Materials Studio软件中的Perl脚本在500 K下进行交联反应，形成了环氧网络结构

纳米级结构模型

根据第2节建立的环氧树脂和缺陷碳纤维MD模型，构建了碳纤维/环氧复合材料的纳米级结构模型，如图7(a)所示。该模型由上下环氧树脂部分组成，中间夹着中央的石墨烯层，尺寸为61 × 61 × 122

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，包含44,029个原子。按照第2.1.1节中详述的松弛程序，不同区域的密度分布

应力-应变响应和失效形态

图9(a)展示了纳米级模型在不同温度下的拉伸应力-应变响应。在所有温度下，界面应变的演变分为三个不同的阶段：初始线性增长、达到峰值时的屈服阶段，以及随着拉伸应变的增加逐渐降至零。这种行为对应于从线性弹性到塑性的转变，最终导致界面剥离。应力-应变响应显示出反

结论

本研究的主要贡献在于实现了从纳米尺度到微观尺度的复合材料界面参数的传递，从而揭示了界面损伤的温度依赖性跨尺度机制。

在纳米尺度上，界面失效模式受温度控制，通过调节分子链的移动性来体现。在低温下，由冻结的环氧分子链引起的脆性界面剥离。在高温下，

CRediT作者贡献声明

Jingjing Chen：撰写——原始草稿、研究、数据整理、概念化。Shuwei Huang：撰写——审阅与编辑、形式分析。Bo Li：软件开发。Bohong Gu：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金筹集。Baozhong Sun：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

Jingjing Chen|Shuwei Huang|Bo Li|Bohong Gu|Baozhong Sun

引言