纤维-环氧树脂界面在吸湿热老化中的分子尺度水分入渗机制

摘要整理

碳纤维增强复合材料在几乎所有应用领域都易受水老化影响，包括环境湿度和液态水直接接触等条件。虽然复合材料水老化的宏观影响可通过实验手段定量评估，但水分入渗和老化机制的细节，特别是吸湿热条件下老化初期的机制，仅依靠实验技术难以完全阐明。深入理解驱动老化初期水分入渗的因素对于开发更有针对性的抗水老化策略至关重要。本研究采用分子动力学模拟方法，研究了新型环氧树脂/碳纤维界面在吸湿热条件下液态水作用下的水分入渗分子机制。模拟结果表明，纤维-基体界面在水老化初期并不易发生毛细吸水型水分入渗，也不会迅速被水浸没。相反，水主要通过基体-水界面被吸收，这一入渗途径由该界面处聚合物链的动态流动性促进。这些链含有可捕获水分子的负电性位点，为暂时暴露的聚合物表面孔隙和通道提供通道，形成预浸润的分级储存库，促进后续水分向复合材料内部深层入渗。吸收水的表征基于其与基体的氢键作用，水分的分布和运输行为与实验观测结果相符。本研究揭示了吸湿热老化过程中水分入渗的分子级细节和水在材料中的空间分布规律，为下一代复合材料的服役寿命和货架寿命延长提供了设计指导。

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