摘要
碳纤维增强树脂基复合材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，CFRP）具有轻质高强、耐腐蚀、疲劳性能优良及易于施工等优点，被广泛应用于土木工程结构的加固与修复。考虑到土木工程结构的长寿命设计和复杂的服役环境，纤维/树脂界面粘结性能控制的CFRP耐久性是制约CFRP工程应用的关键因素。相较于传统的试验方法，分子动力学模拟能从纳米尺度研究界面粘结性能退化机理，但目前多以获得界面粘结性能退化规律为主。鉴于此，本文利用分子动力学模拟着重研究碳纤维/环氧树脂界面粘结性能在常温水浸泡环境下的退化机理。本文主要研究内容和成果如下： （1）通过分子动力学模拟，建立了未吸湿、1%wt和2%wt吸水率的环氧树脂分子动力学模型，计算了环氧树脂的玻璃化转变温度和杨氏模量。模拟结果表明，在水分子的作用下，玻璃化转变温度和杨氏模量均出现了下降，与试验结果吻合。 （2）通过分子动力学模拟，建立了未氧化和氧化碳纤维分子动力学模型，计算了纤维表面能。模拟结果表明，氧化处理能提高纤维表面能，与试验结果吻合。基于环氧树脂和碳纤维模型，建立了碳纤维/环氧树脂界面初始分子动力学模型。 （3）通过Metadynamics增强采样法加速了界面中环氧树脂的吸附，通过温度加速法加速了水分子的扩散，得到了干燥和水浸泡环境下碳纤维/环氧树脂平衡态分子动力学模型，基于平衡态模型，计算了碳纤维/环氧树脂界面结合能。模拟结果表明，在水浸泡环境下，界面粘结性能退化，与试验结果吻合。 （4）通过分子动力学模拟，研究了界面结合能的分布。模拟结果表明，未氧化碳纤维/环氧树脂界面粘结主要来源于环氧树脂中的碳原子与碳纤维的范德华吸引力；氧化碳纤维/环氧树脂界面粘结主要来源于环氧树脂中的碳原子与碳纤维的范德华吸引力以及氢原子与碳纤维的范德华和库仑吸引力。 （5）通过分子动力学模拟，研究了环氧树脂原子分布。模拟结果表明，未氧化碳纤维/环氧树脂界面中，水分子改变了碳和氧原子与碳纤维的范德华吸引力作用区内的原子分布；氧化碳纤维/环氧树脂界面中，水分子改变了氢原子与碳纤维的库仑吸引力作用区内的原子分布，导致界面粘结性能的退化。
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