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引言

纤维增强复合材料因其轻质高强特性，在航空航天领域广泛应用于液氢贮箱等关键部件。然而，液氢与环氧树脂基体的相容性问题显著制约材料安全性——低温环境下树脂体系易因液氢渗透引发微裂纹扩展，导致泄漏或燃爆风险。传统环氧树脂研发高度依赖实验试错，存在周期长（通常＞12个月）、成本高（单次实验＞5000美元）且难以揭示微观机理的局限性。分子动力学模拟（MD）作为一种从原子尺度解析物质动态行为的计算方法，可高效预测液氢在聚合物中的扩散路径与吸附特性。本研究以DGEBA环氧树脂/DDM固化体系为对象，通过MD模拟系统探究交联度及拉伸形变对液氢渗透行为的影响，为设计低渗透、高安全的环氧树脂基复合材料提供理论依据。文章基于大连理工大学武湛君教授团队研究成果及国家重点研发计划项目资助。

（1）行业需求与技术瓶颈

航空航天器向深空探测发展，要求贮箱材料在-253 ℃液氢环境中保持结构完整性。但环氧树脂与液氢的相容性差，一是渗透诱导劣化：液氢分子渗透导致树脂基体肿胀，引发界面脱粘；二是低温脆性加剧：-196 ℃以下树脂韧性下降50%，微裂纹易扩展；三是实验研究局限：传统表征手段（如SEM、FT-IR）难以捕捉动态渗透过程。

（2）分子模拟的优势

MD模拟通过构建原子级模型，可定量分析：液氢分子在交联网络中的扩散系数（D）；树脂自由体积分数（FFV）与渗透性的关联；拉伸应变下微裂纹扩展与渗透系数的耦合机制。

本研究采用DREIDING力场与ReaxFF反应力场结合，模拟精度达95%，计算效率提升3倍。

（1）交联度-渗透性关联机制

发现交联度（DC）对液氢渗透系数（P）呈非单调影响：当DC＜80%时，P随DC增加而降低（从1.2×10⁻⁸ cm²/s降至0.8×10⁻⁸ cm²/s），因交联网络限制分子运动；DC＞80%时，P反增至1.5×10⁻⁸ cm²/s，源于局部畸变产生的额外自由体积。揭示自由体积分数（FFV）是核心调控参数：DC=80%时，FFV最低（12.3%），液氢扩散路径最曲折。

（2）拉伸形变下的渗透行为演化

构建单轴拉伸模型（应变0～30%），发现渗透系数与应变呈三阶段关联，首先，弹性阶段（0～5%）：P缓慢上升（0.8×10⁻⁸cm²/s→0.9×10⁻⁸ cm²/s），因微应变引发链段重排；其次，屈服阶段（5%～15%）：P激增至1.4×10⁻⁸ cm²/s，伴随银纹生成；最后，断裂阶段（大于15%）：P骤升至2.1×10⁻⁸ cm²/s，裂纹扩展形成渗透通道。

首次量化裂纹尖端液氢富集效应：裂纹长度＞50 nm时，局部氢浓度达基体的3倍。

（3）多尺度模拟方法创新

集成全原子模型（模拟时间10 ns）与粗粒化模型（模拟时间100 ns），实现从纳秒级分子运动到微秒级裂纹扩展的跨尺度分析；开发渗透-应力耦合算法，准确预测拉伸过程中渗透系数与应力-应变曲线的同步变化。

图1 (a)DGEBA单体；(b)DDM单体；(c)液氢分子

Fig.1 (a) DGEBA monomer; (b) DDM monomer; (c) liquid hydrogen molecular

图2 (a) 吸附池模型；(b) 扩散池模型

Fig.2 (a) Adsorption cell model; (b) diffusion cell model

图3 均方位移与时间关系曲线

Fig.3 MSD vs. time curve

图5 液氢吸附等温线

Fig.5 Sorption isotherms of H2 in epoxy resin

图6 拉伸应力-应变曲线图

Fig.6 Tensile stress-strain curve

图8 环氧树脂体系单轴拉伸模拟快照

Fig.8 Uniaxial tensile simulation of epoxy resin matrix snapshot

本研究通过分子动力学模拟揭示了环氧树脂交联度及拉伸形变对液氢渗透行为的影响规律：交联度80%为临界点，低于此值时渗透系数随交联度增加而降低，高于此值则因自由体积增加导致渗透系数回升；拉伸过程中渗透系数与应变呈三阶段非线性关联，裂纹尖端氢富集效应显著。研究提出的跨尺度模拟方法可高效预测材料-液氢相容性，为设计低渗透、高韧性的航空航天用环氧树脂基复合材料提供了理论支撑。未来可通过引入纳米填料或设计梯度交联结构，进一步优化材料的低温抗渗透性能。

文章发表于《功能材料》2025年第56卷第8期，欢迎引用本文：    

陈泓志,高畅,徐浩,等.环氧树脂体系液氢渗透行为分子动力学模拟[J].功能材料,2025,56(8): 08008-08012.

Chen H Z,Gao C,Xu H,et al.Molecular dynamics simulation of liquid hydrogen leakage behavior in epoxy resin systems[J].Journal of Functional Materials, 2025,56(8): 08008-08012.