高性能热塑性复合材料组成结构与界面的分子模拟

高性能热塑性复合材料是国内外复合材料领域研究的重点,但多集中于成型工艺和材料的宏观性能。因此,本文采用分子模拟的方法对高性能热塑性树脂——聚醚砜(PES)、聚醚醚酮(PEEK)、杂萘联苯聚醚酮(PPEK)和杂萘联苯聚醚砜(PPES)及其复合材料的组成结构和界面进行了研究。 首先在真空环境下建立了聚合度为12的PES、PPES、PEEK和PPEK的单链模型,采用退火的方法进行模拟优化,退火温度从298K到598K,退火后得到298K下的稳定构象。从退火前后各单链中氧元素的径向分布函数,知道模拟中构象不断变化以使体系能量最低。通过对退火前后单链各项势能变化的分析,发现能量值改变的最大贡献项为静电能,进一步比较分析了各单链退火后的键能内部项变化,得出键角和二面角扭转是构象改变即使能量降低的主要影响因素。 然后建立了三维周期性边界条件下的含两根分子链的PES、PPES、PEEK和PPEK的基体模型。退火模拟后,通过对优化后四种基体模型的均方末端距分析,验证了基体的分子链体积和刚性越大,分子链的活动性就越小。同时模拟得到四种基体的内聚能密度和溶解度参数。 最后在建立未经氧化处理和经氧化处理(连接-OH基团)的碳纤维(CF)模型的基础上,分别建立了CF/PES、CF/PEEK、CF/PPEK和CF/PPES复合材料的界面对比模型(称界面模型1和界面模型2),并采用退火的方法进行模拟优化。通过对CF/PPES和CF/PPEK退火后不同界面模型的基体均方末端距分析,得出未经氧化处理的碳纤维层对基体的吸引力比经过氧化处理的大。并且计算了CF/PES、CF/PEEK、CF/PPEK和CF/PPES不同模型的界面结合能,分析了结合能的各个作用项,同时讨论了退火后界面模型中基体浓度的变化,得出界面模型1的界面结合能比界面模型2大,界面结合的主要贡献来自碳纤维晶层和基体中大量苯环的范德华力作用,对碳纤维的氧化处理虽然有利于成型时的浸渍,却降低了界面结合能。