点击蓝字 关注我们
文章题目：A molecular dynamics assisted insight on damping enhancement in carbon fiber reinforced polymer composites with oriented multilayer graphene oxide coatings
第一作者：张牧寒
通讯作者：周何乐子，周华民
通讯单位：华中科技大学材料科学与工程学院，材料成形与模具技术国家重点实验室
DOI：10.20517/microstructures.2024.29
图片摘要
01
背景介绍
在当前工程领域中，随着性能要求的不断提升，碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）因其卓越的机械性能、优异的化学稳定性、低热膨胀系数以及设计灵活性，已成为高端行业的首选材料。如今，设计具备优异阻尼特性的复合材料组件，对于减轻材料损伤以及应对噪声和振动问题至关重要。与传统金属材料相比，聚合物基复合材料具有更强的能量耗散能力，从而在冲击能量吸收方面表现出色。因此，高阻尼复合材料的研发受到了广泛关注。
CFRP的能量耗散主要依赖于纤维/基体成分的粘弹性或通过非弹性和不可逆现象（如损伤或塑性变形）实现，尤其关注界面相互作用引发的阻尼。引入一维或二维碳纳米填料已被证明可以显著增强复合材料的阻尼特性，这是由于其自润滑特性和诱发粘滑效应的能力。研究表明，加入适量的碳纳米管（CNTs）能使复合材料的模态阻尼比增加约100%。此外，在小动态应变下，多壁碳纳米管（MWCNTs）的滑动显著增强了能量耗散。相比之下，石墨烯在增强低频和高频振动下的结构阻尼方面展现出更大的潜力，其平面结构赋予其更大的柔性，影响了纳米材料中的粘滑机制。此外，由于石墨烯的低层间剪切力和低表面能，其层间滑移在界面摩擦过程中能有效减少附着力和摩擦力。
尽管阻尼能力至关重要，但相关的理论研究仍然有限，尤其是对碳纳米材料修饰的CFRP阻尼性能的微观机制探索仍未深入。近年来，分子动力学（MD）模拟因计算机技术的进步，已成为研究材料结构-性能关系的重要工具。MD技术在解析材料系统中的阻尼机制方面具有独特优势，尤其是在复合材料领域中，通过分子间摩擦、氢键的限制作用以及界面弹性模量失配度等多种机制的研究，初步揭示了石墨烯和氧化石墨烯（GO）在提升阻尼性能方面的潜力。然而，对GO改性CFRP阻尼性能机制的深入研究仍有待探索，因此，我们的研究旨在填补这一空白，并提供更全面的理解。
02
文章简介
在本研究中，我们通过实验和计算模拟技术深入探讨了GO对CFRP阻尼性能的影响机制。采用电泳沉积（EPD）技术在碳纤维（CF）表面原位构建GO涂层，并利用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）制备CFRP样品。通过动态力学分析仪（DMA）测量了在不同应变、频率、温度和涂层厚度下CFRP的阻尼损失系数。我们开发了环氧树脂/CF-GO界面的综合原子模型，分析了结构特征中的能量耗散与参数的关系，并通过推导品质因数（Q）评估了微观结构的阻尼能力。此外，研究了少层和多层GO改性CF表面的层间滑移行为，包括表面应力分布、界面相互作用能、势能波动、界面摩擦以及层内与层间滑移的转换，系统阐明了二维碳纳米材料在增强阻尼方面的潜力。
图1展示了不同CF表面的SEM照片，并通过EDS区域扫描显示O、C元素的重量百分比。与对照组（CG，图1A-B）相比，脱浆后的CF（图1C-D）表面更加粗糙，呈现出纵向的窄槽结构，且氧含量降低。经过超声波辅助的EPD处理后，GO片材均匀覆盖在CF表面，增加了氧元素的比例，并在涂层表面形成了明显的粗糙皱纹（图1E-H）。随着GO层数的增加，纤维表面倾向于形成更大片材的薄膜结构，同时纤维单丝间的空隙被薄膜填充，形成了桥接涂层。
图1. 通过SEM图像研究和EDS图谱结果对CF表面进行分析：（A-B）T300 CF、（C-D）退浆CF、（E-F）EPD处理的CF（1-5层GO）和（G-H）EPD处理的CF（6-10层GO）。
对CFRP的动态力学行为进行了研究，图2展示了相应的阻尼损耗因子tanδ（损耗模量与储能模量的比值）。如图2A-C所示，经过GO层改性的CFRP在各种条件下的tanδ均逐渐增加，这表明GO的引入显著提升了复合材料的能量耗散能力，这可能与纳米材料特性导致的应力分布改善有关。在负载条件下，除了@CFRPCG在低频范围内外，所有三种CFRP的损失系数均与应变和振动频率正相关。@CFRPCG和@CFRPDesized的损失因子对温度不敏感，而@CFRPGO-CF则先降低后升高。图2D显示了不同层数GO改性CFRP的tanδ，随着GO层数的增加，tanδ显著提升，表明多层GO在提高CFRP阻尼性能方面具有巨大潜力。GO/聚合物界面滑移需要克服共价键相互作用，因此随着GO层数的增加，界面滑移更易被外部能量引发，增强了能量耗散。同时，多层GO产生的广泛桥形涂层也增加了滑动面积，帮助材料快速耗散外部能量。
图2. CFRP复合材料在三种条件扫描模式下的DMA结果：（A）应变扫描，（B）频率扫描和（C）温度扫描。（D）@CFRPCG、@CFRPDesized和用少层/多层GO改性的试样之间的阻尼性能比较。
我们在微观层面（图3A-D）证实了阻尼性能与实验参数之间的依赖关系：能量耗散率随着应变率、振动频率和温度的升高而增加。此外，图3C显示，与其他组相比，Q下降更为显著。根据玻尔兹曼关系可知原子的温度与其运动速度密切相关。随着振动频率的增加，模拟系统的温度升高，这反过来又加速了能量耗散，导致Q衰减更快。MD结果表明，在各种环境条件下，多层GO组的Q值明显低于其他各组，进一步证实了多层GO结构的阻尼增益效果。
图3. CFRP系统Q因子和Udisp的参数依赖性：（A）不同GO层数，（B）不同振动应变，（C）不同振动角频率和（D）不同温度。
为了解复合材料的能量耗散行为，我们通过分析动态加载过程中的原子位移场，跟踪并观察了粒子的运动，如图4所示。选取了几个代表性时间点进行分析，包括峰值、谷值和振幅为零的时刻。快照显示，由于聚合物链段分布不均，环氧树脂内部的局部应变区域表现出高度的随机性。与D-CFRP0LGO相比，D-CFRP8LGO中的环氧树脂从碎片状高应变区域转变为块体，并在GO层内出现显著的正负应变差异。可以理解，树脂和纤维之间的涂层结构在周期性振动中起到了能量传递的“桥梁”作用。相对滑动导致界面处的分子振动和碰撞，并随着这种运动逐渐传递到基体内部，振动能量最终通过热交换更有效地消散。
图4. D-CFRP0LGO和D-CFRP8LGO在一个谐波周期内的原子位移场。
涂层结构表面剪应力的理论分布如图5所示。对于小纵横比，剪切应力的分布变得更加均匀，这有利于GO中层间界面滑移的产生。相反，当纵横比较大时，剪切应力集中在GO的边缘，导致中间区域内的剪切应力减小。因此，具有多层GO薄膜的复合材料单元的层间滑移在振动过程中更容易被激活。当外部变形达到较大水平时，通过增加CF/GO界面处的滑移距离可以进一步增强能量损失。
图5. 基于GO不同纵横比的表面剪应力理论分布。
与广泛使用的宏观尺度夹层结构中约束层阻尼剪切变形引起的经典能量耗散不同，微观尺度的能量耗散机制是层间滑移。使用滑动MD详细探讨CF表面少层/多层GO的层间滑移行为。如图6A-G所示，我们仔细比较了S-CFRP4LGO和S-CFRP8LGO之间的能量、摩擦和均方位移（MSD）等物理指标。GO与环氧树脂或CF相互作用时，原子的运动显著影响界面的结合强度和耐久性。结果表明，环氧树脂/基材界面的结合能绝对值比GO/GO界面高约20%，说明GO片材之间的吸附强度较弱，这解释了层内滑移优先转化为涂层内层间滑移的现象。此外，S-CFRP8LGO中环氧树脂或GO层的总能量变化大于S-CFRP4LGO，表明部分能量被重新引入系统并累积在GO层中。多层GO中，极性官能团促进了氢键网络的形成，这在滑移过程中不断断裂和重建，导致较高的动摩擦系数和更明显的滞后损失。S-CFRP8LGO中的瞬态摩擦力较高，主要由GO层之间的相互作用引起，增加了摩擦并释放出更多的热能。在最后10 ps滑移时间内的MSD分析显示，层间滑移行为是一个连续的过程，伴随着GO片之间不规则位错的形成和发展。剪切应力通过摩擦力表现出来，由于GO板的弹性模量较高，滑动行为占主导地位。然而，界面摩擦的增加可能抑制涂层的层间滑移，并对能量消耗产生一定负作用。
图6. 少层/多层GO改性的CFRP系统之间的层间滑动性能比较：（A）S-CFRP4LGO和S-CFRP8LGO的全原子模型闪图，（B）界面相互作用能，（C）总能量，（D）氢键数量，（E）界面摩擦系数和（F-G）均方根位移（MSD）。
图7显示了阻尼振动下环氧树脂/CF-GO界面结构的层间/层内滑移机制的示意图。符号∆表示振动过程中发生的界面位错。对于少量GO层（图7A），∆包括三个分量：GO/环氧树脂界面的相对位移SE-G、GO/GO界面的SG和GO/CF界面的SC-G（图7B）。在厚GO涂层的情况下（图7C），由于不同界面上非粘结相互作用的竞争关系，层间GO/GO界面上的相对位移分量SG1、SG2和SG3也会导致层内滑移∆（图7D）。意味着环氧树脂/CF之间的层内滑移部分转化为涂层内部的层间滑移。与GO/环氧树脂界面上的滑动相比，GO层之间的界面上发生的滑动可以吸收更多的能量，将使结构部件具有更好的减震和降噪功能。
图7. CFRP受到外部载荷时，GO涂层引导的环氧/CF界面层间和层内滑移示意图：（A）振动吸收过程，（B-C）少层GO界面滑移，（D-E）多层GO界面滑移。
03
结论与展望
总而言之，我们设计并探索了一种基于碳纤维表面原位构建取向GO涂层的CFRP阻尼改性方法。不同于传统观点，我们的研究突出强调了GO纳米片层间滑移在调节能量耗散中的关键作用。GO涂层纤维显著提升了复合材料在振动过程中的能量耗散，这一效果在DMA测试中的广泛应变、振动频率和温度范围内得到了验证。原子位移场的可视化显示，涂层促进了环氧树脂与碳纤维之间的能量传递，增强了聚合物链间的分子运动。此外，多层GO改性的CFRP表现出更强的阻尼性能，损耗因子提高了25.34%，Q值降低了82.52%。与少层GO相比，多层GO表面展现出更一致的剪应力分布，更容易激活层间滑移。外部能量可部分将聚合物/碳纤维之间的层内滑移转化为GO/GO层间滑移，而滑移过程中的不规则位错通过氢键网络的形成与破坏及界面摩擦，将机械能迅速转化为可耗散热能。
基金支持
本文研究由中国国家自然科学基金支持（No.52275336，No.U20A20288）。
通讯作者简介
周何乐子，华中科技大学材料科学与工程学院副教授，悉尼大学联合培养博士及访问学者。研究方向为纤维增强树脂基复合材料成形及微纳改性。主持国家自然科学基金面上，多项企业、军工研究所技术合作项目，作为核心骨干参与重大国际合作研究项目、国家重点研发等。在国内外重要期刊上发表论文30余篇，合作编写英文专著1部，授权国家发明专利10余项，获省部级奖项2项。复合材料核心期刊 Composites Science and Technology, Composite Part A, Composite Part B, Composite Structure，Composites Communication等及Carbon、Thin-Walled Structures等审稿人。
周华民，先后获国家杰出青年科学基金、长江学者特聘教授、国家万人计划领军人才、百千万人才工程国家级人选、中国青年科技奖、国家有突出贡献中青年专家、国务院政府特殊津贴等。担任华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室主任，学院院长，兼任国务院学位委员会学科评议组成员、教育部科技委委员、中国兵工学会精密成形工程专委会主任等。先后担任14个期刊编委等。主要从事材料成形仿真软件与智能装备研究，发表论著400余篇，授权发明专利100余项，出版专著教材10余部。获国家科技进步二等奖4项（分别排名第1、1、3、5）、国家自然科学二等奖1项（排名第3）、国家教学成果二等奖1项（排名第1）。
关于期刊
Microstructures [ISSN 2770-2995(Online)]是一本金色开放获取，严格同行评议的国际学术期刊，目前已被ESCI, Scopus, CAS, Dimensions, Lens, CNKI等重要数据库收录。刊文范围包括从微观尺度到原子尺度，面向终端用户的应用程序的设计、制造、建模、表征、测试和评估，涵盖但不限于金属和合金、陶瓷、聚合物、复合材料、晶体、玻璃、生物材料、界面和纳米材料等。
欢迎添加小编微信
备注“姓名-单位-研究兴趣”
邀请加入 Microstructures学者群
期刊官网：https://microstructj.com/
投稿链接：https://oaemesas.com/login?JournalId=microstructures
联系方式：editorialoffice@microstructj.com
【往期鉴赏】
Volume 2, Issue 2
Volume 2, Issue 3
Volume 2, Issue 4
Volume 3, Issue 1
Volume 3, Issue 2
Volume 3, Issue 3
