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大连理工大学董旭峰教授团队研究成果：液氧相容改性环氧树脂体系低温力学性能分子动力学模拟
摘要：
论文基于大连理工大学董旭峰教授团队研究成果以及国家重点研发计划专项基金资助，文章利用分子动力学（MD）模拟方法，研究了10-（2，5-二羟基苯基）-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物（ODOPB）改性环氧树脂的低温力学性能。着重探索了不同磷含量对分子网络结构和材料性能的影响。研究发现，链长分布特征是决定材料力学性能的关键因素。而通过链长调节（CLR），材料在低温下的力学性能可以明显增强。本研究为高性能液氧相容热固性树脂和复合材料的设计和制造提供了有价值的参考，有助于提高复合材料在恶劣工程环境下的耐受性。
高畅，董旭峰，严佳，等. 液氧相容改性环氧树脂体系低温力学性能分子动力学模拟[J].功能材料,2022,53（7）:07139-07143.
Gao C,Dong X F,Yan J,et al. Molecular dynamics simulation of low-temperature mechanical properties of liquid oxygen compatible epoxy resins[J].Journal of Functional Materials,2022,53(7): 07139-07143.
一、全文速览
轻质纤维增强复合材料在航空航天工程中吸引了广泛关注。然而，航空航天复合材料的安全性与完整性收到日益恶劣的服役环境挑战。例如，在液氧复合材料贮箱中，材料需同时面临低温（-183℃）与液氧不相容的挑战（即材料与液氧之间产生的燃烧或爆炸反应）。由于复合材料中的纤维具有优异的物理性能和化学稳定性，因此聚合物基体的性能对于评估复合材料整体性能至关重要。环氧热固性树脂在机械性能、易加工性和低成本等方面显示出独特优势。最近研究结果还表明，向环氧树脂中添加各种类型的阻燃剂（FR）分子可以大大改善材料的液氧相容性。其中，添加含磷阻燃剂在阻燃效率和无毒性方面具有明显优势。然而，接枝阻燃剂将改变环氧热固性树脂中交联网络的分子结构，引起力学性能变化。实验结果表明，磷含量高于某个阈值，材料的模量、韧性等性能都会出现退化。因此，同时提高环氧热固性树脂的力学性能和液氧相容性是一项重要而具有挑战性的任务。
研究发现，材料体系中链段长度分布特征在控制力学性能方面起着主要作用。更重要的是，在环氧树脂改性阶段采用的链长调节能够显著提高材料的承载与变形能力，为工程实践中设计和制备高强、高韧、液氧相容环氧树脂基复合材料提供了有价值的参考。本文通过两步反应法，建立了ODOPB改性交联环氧树脂分子动力学模型，计算了不同磷含量材料体系的常低温力学性能，为探究改性环氧树脂力学性能的微观机理提供了有价值的参考。
二、文章亮点
1. 建立了改性交联环氧树脂体系分子动力学建模方法。
2. 基于ODOPB改性交联环氧树脂分子动力学模型，开展了材料体系的常低温力学性能计算。
3. 重点测试和分析了常低温弹性模量、低温拉伸断裂行为模拟、链长调控等对宏观力学性能的影响。
三、图文展示
图1 ODOPB、DGEBA、DDM单体与改性环氧树脂分子结构图（红色圆圈标明了参与反应的基团）
图3 不同磷含量材料体系的常温与低温弹性模量
图4 分别采用Dreiding力场与ReaxFF力场的拉伸曲线
图5 90K温度下2%（质量分数）交联环氧树脂原子体系100%，200%与300%应变水平下的拉伸形貌
图6 0，1%与2%（质量分数）磷含量下材料的低温拉伸曲线
四、结论
磷含量的增加对材料的拉伸模量并无明显影响，而温度的降低使材料的弹性模型发生明显增大。在材料的拉伸与破坏研究中，通过ReaxFF力场得到DREIDING力场的断键截断半径，从而在保证计算精度的同时，大幅提高了分子动力学计算效率。从拉伸曲线可以看出，在未改性体系中，磷含量的增加显著降低了材料的承载能力。而在同一磷含量（2%（质量分数））下，通过链长调控能够较显著改善材料的力学性能，其原因是调控后材料体系中的链长能够在拉伸过程中表现出更好的协同承载效应。本文的研究成果为液氧相容、高强高韧树脂基体及其复合材料的设计与制备提供了有益参考。