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CN116052807A - 一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法及设备 - Google Patents

一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法及设备 Download PDF

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CN116052807A
CN116052807A CN202211642780.0A CN202211642780A CN116052807A CN 116052807 A CN116052807 A CN 116052807A CN 202211642780 A CN202211642780 A CN 202211642780A CN 116052807 A CN116052807 A CN 116052807A
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CN
China
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carbon fiber
fiber composite
composite material
molecular model
interface
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Application number
CN202211642780.0A
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程晖
关旺东
王青松
刘闯
刘博�
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Northwestern Polytechnical University
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Northwestern Polytechnical University
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Abstract

本申请提供一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法，包括：根据所述碳纤维复合材料的分子模型，通过成键模拟缩合反应以及成键模拟交联反应，构建碳纤维复合材料界面分子模型；基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过对碳纤维拔出过程进行非平衡分子动力学模拟来计算所述碳纤维复合材料的界面剪切强度。通过模拟缩合反应和交联反应，建立偶联剂两端分别与碳纤维、基体之间的化学键，使得界面模型更加完善。

Description

一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法及设备
技术领域
本申请涉及计算材料科学技术领域，具体涉及一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法及设备。
背景技术
碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)在航空航天器中的广泛应用，而碳纤维增强复合材料的性能很大程度上取决于纤维-基体的黏附作用以及界面的载荷传递行为。为了增强纤维基体界面的性能，通常采用相对经济的硅烷偶联剂处理方法。偶联剂的双官能团分别与纤维和环氧树脂发生反应机理，从而在界面内部形成化学桥梁，增强界面性能。
在碳纤维增强复合材料的性能评价过程中，碳纤维与环氧树脂的界面剪切强度是评价界面性能的重要指标。关于界面的研究是从宏观尺度到微观尺度的跨越，同时，经过偶联剂处理后的界面改性又使其分子层级的结构极其复杂，因此对于界面性能的试验研究受到限制。
目前，可以采用现有的一些试验手段来进行界面性能研究，但是成本极其高昂而且试验结果尚无法得到验证，而且无法在完全考虑改性碳纤维界面内部的分子结构及相互作用的情况下评价界面性能。
发明内容
为了解决现有技术中通过试验方法来评价碳纤维增强复合材料性能存在的成本高、效率低而且不能完全考虑改性碳纤维界面内部的分子结构及相互作用等问题，本申请提供了一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法、装置以及电子设备。
根据本申请的第一方面，提供一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法，包括：
根据所述碳纤维复合材料的分子模型，通过成键模拟缩合反应以及成键模拟交联反应，构建碳纤维复合材料界面分子模型；
基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过对碳纤维拔出过程进行非平衡分子动力学模拟来计算所述碳纤维复合材料的界面剪切强度。
根据本申请的一些实施例，所述基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过对碳纤维拔出过程进行非平衡分子动力学模拟来计算所述碳纤维复合材料的界面剪切强度，包括：
根据化学键断裂判定准则，删除所述碳纤维复合材料界面分子模型中键长超过极限值的化学键。
根据本申请的一些实施例，所述计算所述碳纤维复合材料的界面剪切强度，包括：
根据碳纤维在拔出方向上所受的极限载荷以及所述极限载荷发生时碳纤维与环氧树脂基体的接触面积，来计算所述界面剪切强度。
根据本申请的一些实施例，所述对碳纤维拔出过程进行非平衡分子动力学模拟，包括：
采用一致价力场定义的函数形式和力场参数进行所述非平衡分子动力学模拟。
根据本申请的一些实施例，所述根据碳纤维复合材料的分子模型，通过成键模拟缩合反应及成键模拟交联反应，构建碳纤维复合材料界面分子模型，包括：
根据所述分子模型中的碳纤维分子模型与偶联剂分子模型，通过所述成键模拟缩合反应，构建偶联剂化碳纤维分子模型；
根据所述分子模型中的环氧树脂分子模型和固化剂分子模型，通过所述成键模拟交联反应，构建环氧树脂基体分子模型；
基于所述偶联剂化碳纤维分子模型和所述环氧树脂基体分子模型，通过所述成键模拟交联反应，构建所述碳纤维复合材料界面分子模型。
根据本申请的一些实施例，所述方法还包括：对所述偶联剂化碳纤维分子模型进行分子动力学模拟。
根据本申请的一些实施例，所述方法还包括：基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过退火模拟获得玻璃化转变温度，对所述碳纤维复合材料界面分子模型进行验证。
根据本申请的一些实施例，所述方法还包括：对所述碳纤维复合材料界面分子模型进行分子动力学模拟。
根据本申请的另一方面，还提供一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的装置，包括：
界面模型构建模块，用于根据所述碳纤维复合材料的分子模型，通过成键模拟缩合反应以及成键模拟交联反应，构建碳纤维复合材料界面分子模型；
界面模型验证模块；基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过退火模拟获得玻璃化转变温度，对所述碳纤维复合材料界面分子模型进行验证；
界面性能评价模块，用于基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过对碳纤维拔出过程进行非平衡分子动力学模拟来计算所述碳纤维复合材料的界面剪切强度。
根据本申请的另一方面，还提供一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现权利要求上述方法。
本申请提供的用于碳纤维复合材料界面性能评价的方装置、电子设备中，通过缩合模拟与交联反应模拟，在界面模型中建立了偶联剂两端分别与碳纤维和基体之间的关系，能够更加完整地反应改性碳纤维复合材料的界面组成，进而更加准确地评价界面的力学性能；在通过分子动力学模拟来计算界面剪切强度的过程中，通过化学键断裂判定准则，避免了模拟结果严重失真，反映了界面层的内聚失效模式，使得模拟过程更加符合界面剪切破坏行为；通过升温-降温的退火模拟，并在降温过程中提取模型的密度-温度曲线，从而计算模型的玻璃化转变温度，经过与试验值的对比，验证了界面模型的准确性，进而保证了评价结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。
图1示出了根据本申请示例实施例的用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法流程图；
图2A至图2D示出了根据本申请示例实施例的改性碳纤维的分子模型示意图；
图3示出了根据本申请示例实施例的改性碳纤维模型界面模型构建过程流程图。
图4示出了根据本申请示例实施例的改性碳纤维模型界面示意图；
图5示出了根据本申请示例实施例的碳纤维拉拔过程载荷曲线示意图；
图6示出了根据本申请另一示例实施例的用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法流程图；
图7示出了根据本申请示例实施例界面模型密度-温度曲线示意图；
图8示出了根据本申请示例实施例的用于碳纤维复合材料界面性能评价的装置框图；
图9示出了根据本申请另一示例实施例的用于碳纤维复合材料界面性能评价的装置框图；
图10示出了根据本申请示例实施例的用于碳纤维复合材料界面性能评价的电子设备框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的预定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
树脂基复合材料一般包含基体、碳纤维两种组分。而对于改性碳纤维增强复合材料，为了增强其界面性能，在制备过程中要加入带有硅醇基团的偶联剂。偶联剂与氧化碳纤维、环氧树脂分别发生缩合反应和交联反应，从而显著增强界面性能。为了提高碳纤维增强复合材料性能评价的正确性，需要完全地考虑改性碳纤维界面内部偶联剂、碳纤维、树脂基体的分子结构及相互作用。分子动力学模拟可以反映界面内部各元素(例如纤维、树脂基体、偶联剂)的分子尺度的演变(非键作用、键合作用)，是研究聚合物体系的强有力的工具。因此，为了解决现有技术中通过试验方法来评价碳纤维增强复合材料性能存在的成本高、效率低而且不能完全考虑改性碳纤维界面内部的分子结构及相互作用等问题，本申请提供了一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法，基于分子动力学模拟来评价改性碳纤维复合材料的界面性能。
下面将结合附图，详细介绍本申请的技术方案。
图1示出了根据本申请示例实施例的用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法流程图。
如图1所示，本申请提供的用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法包括以下步骤。
在步骤S110，根据碳纤维复合材料的分子模型，通过成键模拟缩合反应及成键模拟交联反应，构建碳纤维复合材料界面分子模型。
根据本申请的一些实施例，所述碳纤维复合材料为硅烷偶联剂改性碳纤维复合材料，其中碳纤维由层层堆叠的石墨烯组成，基体为环氧树脂和固化剂构成的混合物，碳纤维与基体之间通过偶联剂进行增强改性。
根据本申请的一些实施例，可以根据所述碳纤维复合材料的微观原子构型和排列方式，建立所述碳纤维复合材料各个组分的分子模型。对于从微观角度看，碳纤维由层层堆叠的石墨烯组成，多层石墨烯通过范德华相互作用结合在一起组成，可以作为碳纤维分子模型。类似地，可以按照原子结构，分别建立环氧树脂分子模型、固化剂分子模型以及偶联剂分子模型等。对于碳纤维分子模型，可以利用Material studio软件构建3层石墨烯结构模型，碳原子间的键长可以为
Figure BDA0004008363550000061
模型几何参数可以为
Figure BDA0004008363550000062
石墨烯的层间距离为
Figure BDA0004008363550000063
参见图2A。对于硅烷偶联剂改性碳纤维复合材料，通常采用的硅烷偶联剂(KH560)的化学成份为γ-缩水甘油醚氧丙基三氧基硅烷(Glycidyloxypropyltrimethoxysilane，GPS)，可以根据其化学式构建偶联剂分子模型，参见图2B。
根据本申请的一些实施例，根据碳纤维复合材料各组分的分子模型，通过成键模拟缩合反应及成键模拟交联反应，构建碳纤维复合材料界面分子模型，可以包括一下步骤。
在步骤S111，根据碳纤维分子模型与偶联剂分子模型，通过成键模拟缩合反应，构建偶联剂化碳纤维分子模型。
对于硅烷偶联剂化碳纤维分子模型，根据本申请的一些实施例，可以以羟基化碳纤维分子模型为基础，采用成键模拟缩合反应的方法建立。硅烷偶联剂水解后会得到硅烷醇基，硅醇基可以与羟基化碳纤维表面C-OH发生缩合反应，形成C-O-Si键。对于羟基化碳纤维模型，根据本申请的一些实施例，可以依据接枝比例确定羟基的数量，然后将羟基中的氧原子与石墨烯表面的碳原子相连，在一定时间的结构优化和弛豫后，消除结构的原子位置重叠和内部残余应力。
例如，可以在上下两层石墨烯中随机选取78个碳原子，在其附近建立羟基(-OH)，羟基与碳原子之间通过C-O键连接，形成羟基化碳纤维模型，参见图2C。羟基化碳纤维模型建立之后，可以在羟基化碳纤维模型两侧填充78个GPS分子，并标记GPS及羟基化碳纤维中的活性原子；在经历施加力场(CVFF)、几何优化以及温度(300K)、速度初始化之后，通过成键模拟缩合反应，在碳纤维及GPS偶联剂之间建立C-O-Si键，形成硅烷偶联剂化碳纤维模型，参见图2D。
例如，首先可以设定截断距离rc，将碳纤维中的C原子标记为活性原子R1，将偶联剂中与Si相连的O原子标记为活性原子R2；然后，进行一定时间的分子动力学模拟；弛豫之后，在所有距离小于或等于截断距离rc的活性原子之间建立接触对；最后，检验所有接触对内是否只包含一组活性原子，并在这一组活性原子之间建立化学键，同时删除与R1相连的-OH基团、与R2相连的H原子(即脱水)，从而完成缩合反应()。根据本申请的一些实施例，还可以增大截至距离rc，重复上述过程。当完成所有弛豫模拟后，硅烷偶联剂化碳纤维模型得以建立。
根据本申请的而一些实施例，还可以对偶联剂化碳纤维模型进行分子动力学模拟。例如，从当前温度开始，每增加50K进行一次分子动力学模拟，可以共计进行5次；然后，每减小50K进行一次分子动力学模拟，共进行5次，完成退火模拟，将建立的模型体系提升至活跃的状态，便于后续的模拟。
在步骤S112，根据环氧树脂分子模型和固化剂分子模型，通过成键模拟交联反应，构建环氧树脂基体分子模型。
通常，复合材料中的基体是由环氧树脂和固化剂组成的混合物。对于环氧树脂基体模型，可以采用成键模拟交联反应的方法获得。例如，将环氧树脂与固化剂按照反应比例混合，在环氧树脂与固化剂中的反应活性原子之间建立化学键，形成半固化的树脂基体模型；随后，进行一定时间的结构优化和分子模拟弛豫，以消除基体内部的原子位置重叠现象以及残余应力。
根据本申请的一些实施例，环氧树脂可以采用双酚A二缩水甘油醚(DiglycidylEther of Bisphenol A，DGEBA)，相应的固化剂可以选用异佛尔酮二胺(Isophorondiamine，IPD)。根据化学式，可以构建环氧树脂及固化剂的分子模型，将DGEBA与IPD按照1：2.5的比例放入模拟盒子中，标记反应活性原子，通过成键模拟交联反应，建立交联网络，形成环氧树脂基体分子模型。
在步骤S113，基于所述偶联剂化碳纤维分子模型和所述环氧树脂基体分子模型，通过所述成键模拟交联反应，构建所述碳纤维复合材料界面分子模型。
在复合材料界面模型建立的过程中，可以采用多种方式。根据本申请的一些实施例，可以在碳纤维分子模型和半固化的环氧树脂基体分子模型建立后，可以将环氧树脂放置于碳纤维表面上，从而形成复合材料纤维-基体界面模型。根据本申请的一些实施例，可以将所述环氧树脂基体分子模型置于所述硅烷偶联剂化碳纤维分子模型的两侧，标记整个体系中的反应活性原子，进一步进行成键模拟交联反应，使得GPS的一端与碳纤维相连，另一端与基体中的固化剂相连，由此建立硅烷偶联剂改性碳纤维的复合材料界面分子模型。
根据本申请的一些实施例，碳纤维复合材料界面模型建立后，还可以对其进行分子动力学模拟，从而使模型体系达到平衡状态。
例如，针对纯碳纤维-环氧树脂界面模型，环氧树脂位于碳纤维的两侧表面，首先进行NPT系综的分子动力学模拟，压缩模型，使体系的密度处于合理范围内，并且与试验值相近，然后进行NVT系综的分子动力学模拟，平衡后消除体系内部的残余应力。
例如，针对羟基化碳纤维-环氧树脂界面模型，羟基接枝于石墨烯两侧的最外层，环氧树脂分布于石墨烯两侧，可以首先进行NPT系综的分子动力学模拟，压缩模型，使体系的密度处于合理范围内，然后进行NVT系综的分子动力学模拟。在平衡过程中，监测环氧树脂的均方根位移，当均方根位移趋于稳定后，即认为体系达到平衡状态，体系内部的残余应力被消除。
例如，针对偶联剂化碳纤维-环氧树脂界面模型，偶联剂在碳纤维和树脂基体之间建立了化学键，一方面，硅烷偶联剂产生的游离硅醇基团(Si-OH)可与羟基化碳纤维中的C-OH基团发生反应，形成Si-O-C键；另一方面，由于固化剂的存在，硅烷偶联剂和环氧基体之间可以形成强烈的化学连接。偶联剂的一端与碳纤维之间已经形成C-O-Si键，另一端环氧基团与固化剂的交联过程可以通过成键反应模拟。未完全固化(固化剂：环氧树脂≥1：2)的环氧树脂基体模型置于偶联剂化碳纤维的两侧，首先，设置反应截断半径rc，将偶联剂中环氧基团的氧原子设置为R3，基体中环氧分子中的氧原子也设置为R3，固化剂中的N原子设置为R4；然后，在进行一定时间的分子动力学模拟弛豫之后，打开环氧基团，在所有距离小于或等于截断距离rc的活性原子之间建立接触对；最后，检验所有接触对内是否只包含一组活性原子，在这一组活性原子之间建立化学键。还可以截断半径rc，重复上述步骤，建立交联网络，最终形成偶联剂化碳纤维-环氧树脂界面模型，参见图4。
在步骤S130，基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过对碳纤维拔出过程非平衡分子动力学模拟来计算所述碳纤维复合材料的界面剪切强度。
碳纤维与环氧树脂的界面剪切强度是评价复合材料界面性能的重要指标。根据本申请的一些实施例，在偶联剂化碳纤维-环氧树脂界面模型建立之后，可以通过碳纤维拔出的非平衡分子动力学模拟来估计界面剪切强度，从而通过界面剪切强度来评价复合材料的界面性能。
在界面模型充分平衡的状态下，为了使碳纤维从环氧基体中完全拔出，在拔出方向(即x方向)上取消周期性条件，例如，将界面模型的X方向设置为非周期性边界条件，在固定两侧部分基体前提下，对基体进行NVT弛豫，对改性的碳纤维层施加
Figure BDA0004008363550000091
的恒定速度，完成20000ps的分子动力学模拟，直至纤维与基体完全脱离，同时监测拔出过程中碳纤维的受力情况。碳纤维-树脂界面的剪切强度τ可以根据下式进行计算。
τ＝Fxmax/A
Fxmax为拔出过程中碳纤维在X方向上所受的极限载荷，A为极限载荷发生时碳纤维与环氧树脂基体的接触面积。拔出过程中碳纤维所受的载荷曲线，可以参见图5所示。
根据本申请的一些实施例，在进行非平衡分子动力学模拟的过程中，为防止拔出过程中碳纤维-偶联剂、偶联剂-树脂之间的化学键无限加长，同时模拟界面剪切破坏过程中由化学键断裂引起的内聚失效行为，可以根据化学键断裂判定准则，当模型内部分子模型之间的键长超过极限值时，将相应的化学键删除。
根据本申请的一些实施例，在进行非平衡分子动力学模拟的过程中，可以采用一致价力场(Consistent Valence Force Field，CVFF)定义的函数形式和力场参数模拟所有原子间的键相互作用、键角相互作用、二面角相互作用、非二面角相互作用、范德华相互作用以及库伦相互作用，并在初始状态确定的情况下，求解运动方程，实现分子动力学模拟。在每次模拟之前，还可以对分子模型进行几何优化，消除在建模过程中模型内部的原子重叠现象。
根据本申请的一些实施例，通过上述过程可以针对不同的复合材料建立不同的界面模型，并计算出相应的界面剪切强度。通过对比不同复合材料的界面剪切强度，可以对复合材料界面性能进行评价。例如，通过对比纯碳纤维-环氧树脂界面模型、氧化碳纤维-环氧树脂界面模型、硅烷偶联剂-环氧树脂模型的界面剪切强度，实现复合材料界面性能的综合评价。
图6示出了根据本申请另一示例实施例的用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法流程图。
根据本申请的一些实施例，还提供一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法，除了图1中所示的步骤外，还可以包括以下步骤。
在步骤S120，基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过退火模拟获得玻璃化转变温度，对所述碳纤维复合材料界面分子模型进行验证。
根据本申请的一些实施例，可以通过计算玻璃化转变温度来验证模型的准确性。例如，可以对分子模型施加升温-降温退火模拟，提取模拟过程中的密度值，对密度-温度曲线进行分线段拟合，将拐点作为模型的玻璃化转变温度，通过与试验值进行比较来验证模型的准确性。
根据本申请的一些实施例，可以将界面分子模型的体系温度从200K提升到600K，升温速率可以为5k/ps，每隔25K对模型进行一次NPT弛豫模拟；在600K时进行10000ps的NPT弛豫，消除体系内部的残余热应力。将模型从600K冷却到200K，每隔25K依次进行NPT平衡，可以得到平衡密度。
单次模拟的时间与当前温度有关。随着温度的降低，体系越来越难达到平衡，可以增加单次模拟时间，以便于低温的情况下也能达到平衡状态，保证该温度下密度值的准确性，最终提升玻璃化转变温度模拟值的可靠性。其中，单次模拟时间可以根据下列公式进行计算：
S＝Sstart·Tstart/T
其中Tstart、T、Sstart、S分别为初始温度、当前温度、初始温度下的平衡时间、当前温度下的平衡时间。
根据每次模拟获得的平衡密度和温度，可以绘制密度-温度曲线，参见图7。温度升高会导致材料的密度下降，而聚合物体系的密度随温度的关系曲线会在玻璃化温度值处出现拐点。因此，可以对拐点前后的数据点进行线性拟合。例如，对拐点两侧的密度值分别进行线性拟合，获得的前后两段直线的交点(379.4k)即为界面模型的玻璃化温度。该玻璃化温度与试验值接近，由此可以验证界面模型的准确性。
图8示出了根据本申请示例实施例的用于碳纤维复合材料界面性能评价的装置框图。
根据本申请的示例实施例，还提供一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的装置500，包括界面模型构建模块510和界面性能评价模块530。
其中，界面模型构建模块510用于根据碳纤维复合材料的分子模型，通过成键模拟缩合反应及成键模拟交联反应，构建碳纤维复合材料界面分子模型。例如，可以根据碳纤维分子模型与偶联剂分子模型，通过成键模拟缩合反应，形成硅烷偶联剂化碳纤维分子模型；然后，根据环氧树脂分子模型和固化剂分子模型，通过成键模拟交联反应，形成环氧树脂基体分子模型；基于所述硅烷偶联剂化碳纤维分子模型和所述环氧树脂基体分子模型，通过所述成键模拟交联反应，构建所述碳纤维复合材料界面分子模型。
界面性能评价模块530用于基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过对碳纤维拔出过程非平衡分子动力学模拟来计算所述碳纤维复合材料的界面剪切强度。例如，根据碳纤维拔出过程中在拔出方向上所受的极限载荷、极限载荷发生时碳纤维与环氧树脂基体的接触面积，可以计算出界面剪切强度。界面剪切强度是评价复合材料界面性能的重要指标，可以通过对比不同复合材料的界面剪切强度，对复合材料界面性能进行评价。
图9示出了根据本申请另一示例实施例的用于碳纤维复合材料界面性能评价的装置框图。
根据本申请的一些实施例，还提供一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的装置600，除了图8中所示的界面模型构建模块510和界面性能评价模块530外，还包括界面模型验证模块520。
界面模型验证模块520用于基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过退火模拟获得玻璃化转变温度，对所述碳纤维复合材料界面分子模型进行验证。例如，可以对分子模型施加升温-降温退火模拟，提取模拟过程中的密度值，对密度-温度曲线进行分线段拟合，将拐点作为模型的玻璃化转变温度，通过与试验值进行比较来验证模型的准确性。
图10示出了根据本申请示例实施例的用于碳纤维复合材料界面性能评价的电子设备框图。
图10显示的电子设备700仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。如图10所示，电子设备700以通用计算设备的形式表现。电子设备700的组件可以包括但不限于：至少一个处理单元710、至少一个存储单元720、连接不同系统组件(包括存储单元720和处理单元710)的总线730等。
存储单元720存储有程序代码，程序代码可以被处理单元710执行，使得处理单元710执行本说明书描述的根据本申请上述各实施例的方法。存储单元720可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(RAM)7201和/或高速缓存存储单元7202，还可以进一步包括只读存储单元(ROM)7203。存储单元720还可以包括具有一组(至少一个)程序模块7205的程序/实用工具7204，这样的程序模块7205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
总线730可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
电子设备700也可以与一个或多个外部设备7001(例如触摸屏、键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备700交互的设备通信，和/或与使得该电子设备700能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口750进行。并且，电子设备700还可以通过网络适配器760与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器760可以通过总线730与电子设备700的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备700使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
此外，本申请还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法。
本申请提供的用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法中，在构建界面模型时考虑了偶联剂两端官能团的反应活性，将偶联剂一端的硅醇基(-Si-OH)与氧化碳纤维(C-OH)进行脱水缩合模拟，建立-Si-O-C-键，另一端的环氧基团(-CH(O)CH-)与基体中固化剂的氨基(-NH2)进行开环交联反应模拟，建立-CH2-NH-键，从而在界面内部形成以化学键为桥梁的增强结构。在该模型中，硅烷偶联剂的复杂结构与树脂基体产生机械互锁作用，而且偶联剂可以与纤维、基体形成化学键进一步增强界面力学性能。上述建模能够更加完整地反应改性碳纤维复合材料的界面组成，通过分子动力学模拟能真实反应改性官能团对纤维/环氧界面吸附剪切行为的影响，准确评价界面的力学性能。
在通过分子动力学模拟来计算界面剪切强度的过程中，通过化学键断裂判定准则，防止了纤维拉拔过程中碳纤维-偶联剂、偶联剂-树脂之间的化学键被无限加长，从而避免模拟结果严重失真。另外，通过化学键断裂判定准则，当模型内部的键长超过极限值时，将相应原子间的化学键删除，模拟了由于化学键断裂引起的界面脱粘行为，能够反映界面层的内聚失效模式，使得模拟过程更加符合界面剪切破坏行为。
此外，通过升温-降温的退火模拟，并在降温过程中提取模型的密度-温度曲线，从而计算模型的玻璃化转变温度，经过与试验值的对比，验证了模型的准确性，进而保证了评价结果的准确性。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的方法，其特征在于，包括：
根据所述碳纤维复合材料的分子模型，通过成键模拟缩合反应以及成键模拟交联反应，构建碳纤维复合材料界面分子模型；
基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过对碳纤维拔出过程进行非平衡分子动力学模拟来计算所述碳纤维复合材料的界面剪切强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过对碳纤维拔出过程进行非平衡分子动力学模拟来计算所述碳纤维复合材料的界面剪切强度，包括：
根据化学键断裂判定准则，删除所述碳纤维复合材料界面分子模型中键长超过极限值的化学键。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算所述碳纤维复合材料的界面剪切强度，包括：
根据碳纤维在拔出方向上所受的极限载荷以及所述极限载荷发生时碳纤维与环氧树脂基体的接触面积，来计算所述界面剪切强度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对碳纤维拔出过程进行非平衡分子动力学模拟，包括：
采用一致价力场定义的函数形式和力场参数进行所述非平衡分子动力学模拟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据碳纤维复合材料的分子模型，通过成键模拟缩合反应及成键模拟交联反应，构建碳纤维复合材料界面分子模型，包括：
根据所述分子模型中的碳纤维分子模型与偶联剂分子模型，通过所述成键模拟缩合反应，构建偶联剂化碳纤维分子模型；
根据所述分子模型中的环氧树脂分子模型和固化剂分子模型，通过所述成键模拟交联反应，构建环氧树脂基体分子模型；
基于所述偶联剂化碳纤维分子模型和所述环氧树脂基体分子模型，通过所述成键模拟交联反应，构建所述碳纤维复合材料界面分子模型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述偶联剂化碳纤维分子模型进行分子动力学模拟。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过退火模拟获得玻璃化转变温度，对所述碳纤维复合材料界面分子模型进行验证。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述碳纤维复合材料界面分子模型进行分子动力学模拟。
9.一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的装置，其特征在于，包括：
界面模型构建模块，用于根据所述碳纤维复合材料的分子模型，通过成键模拟缩合反应以及成键模拟交联反应，构建碳纤维复合材料界面分子模型；
界面模型验证模块；基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过退火模拟获得玻璃化转变温度，对所述碳纤维复合材料界面分子模型进行验证；
界面性能评价模块，用于基于所述碳纤维复合材料界面分子模型，通过对碳纤维拔出过程进行非平衡分子动力学模拟来计算所述碳纤维复合材料的界面剪切强度。
10.一种用于碳纤维复合材料界面性能评价的电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1-8中任一项所述的方法。
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