【摘 要】
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将磷元素引入环氧树脂体系可以有效改善其液氧相容性,同时对其常、低温力学性能的影响还有待研究。然而,由于固化后的含磷环氧树脂体系具有复杂无定形交联网状结构,影响其力学性能的因素众多且相互关联,故实验研究难以表征其微观破坏行为。10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(ODOPB)与环氧氯丙烷反应可得到含磷量高达7wt%的ODOPB环氧树脂。本文基于分子动力学(MD
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将磷元素引入环氧树脂体系可以有效改善其液氧相容性,同时对其常、低温力学性能的影响还有待研究。然而,由于固化后的含磷环氧树脂体系具有复杂无定形交联网状结构,影响其力学性能的因素众多且相互关联,故实验研究难以表征其微观破坏行为。10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(ODOPB)与环氧氯丙烷反应可得到含磷量高达7wt%的ODOPB环氧树脂。本文基于分子动力学(MD)研究,模拟出ODOPB环氧树脂与固化剂4.4’-二氨基二苯甲烷(DDM)的固化交联过程,并计算与模拟了该树脂体系的热力学参数与微观破坏行为,揭示了其断裂过程下的微观力学响应机制。与2wt%含磷量的ODOPB改性环氧树脂体系的性能进行对比,结果证明ODOPB树脂体系具有较好力学与断裂性能,且与ODOPB改性树脂体系的承载能力相近,可作为新型液氧相容树脂基体在工程中得以应用。固化后环氧树脂体系具有高密度的分子结构,在液氧极端低温(-183℃)下这种高交联结构本身会降低材料的承载水平,并且由上述模拟结果可知,含磷官能团ODOPB的引入一定程度上也降低了树脂体系的韧性,从而易加速微裂纹的累积,造成灾难性后果。因此,为进一步优化ODOPB树脂体系在常、低温下的力学性能,我们选用较为柔性的固化剂聚醚胺(PEA)代替DDM对该树脂进行固化,使用MD方法从多微观角度对ODOPB/DDM体系与ODOPB/PEA体系进行分析,包括固化前后分子结构中化学键长分布的变化、内聚能密度以及自由体积分数。同时,模拟了ODOPB环氧树脂与PEA的交联过程以及常、低温下的拉伸破坏行为,计算了ODOPB/PEA体系的玻璃化转换温度。分析模拟结果显示,固化剂的不同会导致交联后分子结构的差异从而影响树脂体系的性能;相比于ODOPB/DDM,ODOPB/PEA体系具有较低的内聚能密度,说明该体系中的分子链的移动与变形需要克服相对较少的能量,因此预测其对应较低的玻璃化转换温度;此外,ODOPB/PEA体系的自由体积分数相对较高,证明该体系内分子链的堆积情况较少,分子、原子在运动过程中遇到的阻碍较弱,由此推测该体系的承载能力更强。从固化剂分子结构的角度分析,PEA分子中的多醚键组合有效提高了树脂体系致密交联网络结构的柔性,而DDM分子中的苯环结构则增强了树脂体系的刚性。模拟结果证明,与ODOPB/DDM体系相比,使用了柔性固化剂的ODOPB/PEA体系在常、低温下具有更高的最大应力水平和更好的承载能力。此外,探究了柔性固化剂PEA的链长对环氧树脂体系力学性能的影响。其结果显示,固化剂PEA链长减小其玻璃化转换温度降低。PEA链长在常温下对树脂体系的拉伸性能影响不大,而低温下分子链较长的PEA固化的体系力学性能更佳。为更直观地比较三种体系的断裂韧性,分别计算了其断裂能,得到了在常、低温下PEA固化的两种体系断裂韧性更佳的结论,且低温下PEA(n=3)固化体系的断裂能明显高于PEA(n=2)体系。综上,本文采用分子动力学高性能模拟方法,证明了高含磷量ODOPB环氧树脂具有作为液氧相容复合材料树脂基体的潜力,并验证了采用柔性固化剂聚醚胺提高其柔韧性的可行性。
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