复合应力状态下环氧树脂空化现象的研究

关键词：环氧树脂、交联、固化、力学性能、分子动力学、LAMMPS、MedeA

1. 研究背景

树脂与固化剂交联形成的三维网状环氧树脂具有许多优良的热、力学性能，目前已经作为涂料、封装材料、交联剂等广泛应用于国防及民用工业的各个领域。负载条件下环氧树脂膨胀、老化、力学性能下降及由此导致的界面开裂等问题日益凸显。本文作者采用分子动力学方法研究了不同负载条件下环氧树脂内部的空化现象和破坏机理，对实际工程问题具有指导意义。

2. 建模与计算方法

作者首先用MedeA中的Amorphous Materials Builder模块创建了双酚A与交联剂分子混合的无定形模型，随后用Thermoset Builder模块对体系进行交联反应模拟创建环氧树脂的固化模型。最后，结合MedeA LAMMPS和Deformation模块研究不同应变大小和不同温度下的单轴、等双轴和等三轴拉伸过程，并计算了应力应变曲线。

图1 环氧树脂与固化剂模型

3. 结果与讨论

3.1 单轴载荷

在单轴载荷条件下，当应变达到125%时，在应变软化区附近(f)开始出现了空洞。在应变软化区域，由于已成核的孔洞的扩大，孔洞体积分数增加。

图2 单轴载荷下环氧树脂的空化现象和应力应变曲线

3.2 等双轴载荷

与单轴响应相比(图2)，等双轴载荷下体系显著特征是没有出现应变硬化，软化区域紧跟着弹性形变区。与单轴载荷情况相比，软化状态下出现空洞的时间较早，当应变为60% (d)和100% (e)时出现空洞。在双轴加载条件下，空洞体积分数的增加是由于已经成核的空洞的扩大和新的空洞的形成所导致的。

图3 等双轴载荷下环氧树脂的空化现象和应力应变曲线

3.3 等双轴载荷

在等三轴加载条件下，没有出现应变硬化，应变软化比前两种情况更明显，观察到空洞在软化区域成核和演化，应变量7.5%之前没有形成空隙。与单轴和等双轴情况相比，相同应变下的孔隙体积分数显著增大。此外，空洞体积分数的快速增加是由于孔隙的扩大、倍增与合并导致的，其脆性行为与单轴情况下观察到的延展性行为有显著不同。

图4 等三轴载荷下环氧树脂的空化现象和应力应变曲线

4. 总结与展望

在本文中，作者通过分子动力学模拟证明了环氧树脂(EPON-862+DETDA)的变形响应和潜在机制显著依赖于宏观应力状态，该研究为环氧树脂的空化脆性断裂以及韧性应变硬化型响应提供了合理的解释。

参考文献：

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2017.12.003

使用MedeA模块：

• MedeA Environment

• MedeA Amorphous Materials Builder

• MedeA Thermoset Builder

• MedeA LAMMPS

• MedeA Deformation