碳纳米管提高环氧树脂弹性模量的微观结构机制:分子模拟与实验验证

摘要

聚合物基复合材料的微观结构与宏观性能之间存在密切的关联性,对其建立起结构-性能的联系,在工程应用和材料设计中有着重要的意义.通过分子动力学模拟方法探究了从低温环境(100 K)到玻璃化转变温度(Tg)的温度范围内,单壁碳纳米管(SWCNTs)对环氧树脂基体弹性模量的提高效果,并从微观结构角度分析了影响机制.发现随着温度的升高,体系内聚能密度(Ecoh)不断减小,自由体积分数(Vf)不断增加,共同导致了弹性模量随温度的升高而降低.SWCNTs对基体弹性模量的提高是由于其在任一温度点均明显提高了基体的Ecoh和径向分布函数,对基体Vf增长的抑制效果也随温度的升高而更加明显.弹性模量的实验结果验证了模拟的计算和分析结果,证明了分子模拟方法预测材料宏观性能的可靠性.