环氧树脂高低温弹性模量的分子模拟和实验探究.pdfVIP

2016年第8期 玻 璃 钢 ／复 合 材 料 33 环氧树脂高低温弹性模量的分子模拟和实验研究 李 浩，张清杰，高 亮，张文卿 (北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，北京 100029) 摘要：环氧一胺树脂体系的力学性能与温度的关系受到研究人员的广泛关注。通过计算机分子模拟构建了DDM／DGEBA 和DDS／DGEBA的交联结构模型 ，利用密度．温度曲线确定了各树脂体 系的玻璃化转变温度 ( )，然后预测了两组环氧树脂体 系从高温(420K)到低温环境(100K)范围内的弹性模量，并与实验结果进行比较分析。利用分子模拟分析模量的变化与树脂 体系的内聚能密度(CED)以及 自由体积等微观结构参数的关系。分子模拟结果表明两种树脂体系的弹性模量都随着温度下 降而增大，与实验结果较为一致，这主要是 由于树脂体系的自由体积分数随着温度的降低而降低，而CED随着温度的降低而 增大引起 的。 关键词：环氧树脂；分子模拟；高低温弹性模量；微观结构 中图分类号：TB332 文献标识码 ：A 文章编号：1003—0999(2016)08—0033—05 碳纤维／环氧树脂复合材料具有比强度、比模量 化，弹性模量与内聚能密度以及 自由体积等微观结 高，结构尺寸稳定性好等特性，已被广泛研究并应用 构参数的关系。 于航空航天领域 ¨4。。研究发现，当纤维的种类和纤 维的体积分数一定时，提高树脂基体的模量，可以有 1 实验材料及方法 效减小复合材料界面处的剪切应力集中系数，从而 1．1 实验原料 能够提高复合材料的弯曲和层剪等性能 J。航空 树脂为双酚A型缩水甘油醚(DGEBA)，环氧值 航天用复合材料由于应用环境的特殊性，温度的变 为0．51，环氧当量为 196，25℃时粘度为 1400mPa· 化范围大，必须掌握树脂基体在不同温度下力学性 s，无锡树脂厂生产。 能的变化趋势 。。，并建立微观结构与材料的宏观 固化剂为二氨基二苯甲烷 (DDM)，活泼氢当量 性能方面的联系。 为50，天津市合成材料工业研究所提供；二氨基二 环氧树脂固化后为复杂的无定形交联结构，仅 苯砜 (DDS)，活泼氢当量为 62，苏州寅生化工有限 通过实验的方法设计和优化树脂基体的结构一性能 公司生产。 关系非常困难。时至今 日，计算机分子模拟技术 日 1．2 分子模拟 臻成熟，已经被广泛用于预测和分析聚合物材料的 所有模拟工作均使用美国Accelrys公司开发的 性能l1B]，对实际应用有着指导作用，可以大大节省 MaterialsStudio6．0软件，在北京化工大学云计算平 时间与成本 ’J。通过构造与实际环氧树脂固化 台上进行。力场选用 COMPASS，截 断半径 设置 体系具有相同交联结构的理论模型，模拟材料在相 为 10h。 似环境中的静态和动态行为，可以预测出材料玻璃 1．2．1 构建交联模型 化转变温度 ( )、电学性能和力学性能。同时可以 首先构造 DGEBA(凡=0和 1)、DDM、DDS的分 通过相关模块研究材料的微观结构变化，从微观理 子模型，并分别对环氧基和氨基进行活化处理。然 论角度分析材料的实际性能。 后对分子进行能量最小化处理得到最优化结构。选 本文采用分子动力学模拟的方法构建 DDM／ 取 18个 t／=0的DGEBA分子和4个n=1的DGEBA DGEBA和DDS／DGEBA的交联结构模型，预测了两 分子来构造出与实验树脂相一致的环氧当量 196， 组环氧树脂体系从高温环境 (