【Materials Studio应用实例】中医大：实验与模拟分析GNPs对CF/PEEK-Ti纤维金属层板力学及界面性能的影响

本研究通过实验和分子动力学(MD)模拟，探讨了石墨烯纳米片(GNPs)对碳纤维增强聚醚醚酮基钛合金层板(CF/PEEK-Ti，统称为纤维增强金属层板，FMLs)界面和力学性能的改善作用及其机制。此外，通过钛(Ti)板的表面阳极氧化进一步提升了FMLs的界面结合性能。实验结果表明，与未经表面阳极氧化的Ti板相比，阳极氧化处理的FMLs的弯曲强度和剪切强度分别提高了77.7%和29.5%。在此基础上，向FMLs基体中添加不同含量(0-1.5wt%)的GNPs，测试结果显示，添加0.5wt.%GNPs的FMLs具有最佳的弯曲和剪切强度，分别比未添加GNPs的FMLs提高了108.9%和130.8%。此外，通过微观分析深入理解了GNPs对FMLs的增强机制。最后，通过分子动力学模拟分析了GNPs在该体系中的作用机制。结果表明，GNPs的添加能够增加FMLs的界面能，从而提升其界面力学性能。研究还探讨了GNPs分散性对FMLs界面性能的影响，发现良好分散的GNPs能够显著改善聚醚醚酮(PEEK)基体的性能。这些发现为设计高性能复合材料提供了理论支持，适用于多种工程应用。

近年来，以碳纤维(CF)为代表的复合材料技术因其高比强度、比刚度、优异的耐腐蚀性、抗疲劳性、轻量化及良好的可设计性等优势，在船舶、汽车、航空航天及日常生活中得到广泛应用。在航空航天领域，复合材料因其卓越性能备受青睐。纤维金属层板(FMLs)作为一种超混杂复合材料，由纤维层与金属层交替叠层并在一定温度和压力下固化而成，具有高比强度、高抗疲劳性和良好的损伤容限等优点，已成功应用于A380和B777客机。然而，由于玻璃纤维和树脂基体材料的限制，A380和B777使用的玻璃层压铝增强环氧树脂(GLARE)无法在高温环境下使用。因此，新一代碳纤维增强钛合金层板成为研究热点，其由碳纤维、耐高温树脂(如PEEK和聚酰亚胺PI)及钛板组成，具有更优异的力学性能和高温耐受性，在航空航天领域展现出广阔的应用前景。

尽管GNPs在PEEK及其复合材料中的改性研究已取得进展，但尚未有关于GNPs用于PEEK基FMLs以提升界面性能的报道。因此，本研究通过添加不同含量(0-1.5wt%)的GNPs改性PEEK，制备了2/1结构的FMLs，并通过弯曲和剪切实验研究了其性能变化。此外，结合分子动力学模拟和微观形貌分析，深入探讨了GNPs的增强机制。该方法为制备高性能、耐高温FMLs材料提供了指导。

通过手糊法将表面处理后的钛板与改性PEEK及碳纤维叠层，热压成型后切割为标准试样。具体工艺如图1所示。

表征：

微观分析：通过透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)观察GNPs形貌及其在PEEK中的分散性。

弯曲测试：按ASTM D790标准进行三点弯曲测试，计算弯曲应力和应变。

单搭接剪切测试：按ASTM D5868标准测试层间剪切强度，计算剪切强度。

三点弯曲试验的实验设置如图2所示。

如图4所示，PEEK分子由30个端对端连接的重复基本重复单元组成。

为了评估不同GNPs分散水平对PEEK与GNPs分离的影响，作者建立了GNP-PEEK分子动力学模型，如图5所示。采用COMPASS力场模拟GNP-PEEK模型的分子动力学。COMPASS力场适用于化合物和有机物的分析，能准确预测界面的力学性能。

分子动力学模型：

为克服实验条件限制，采用分子动力学方法模拟石墨烯对FMLs层间力学性能的影响。建立了Ti-PEEK-GNPs和Ti-PEEK模型，分别计算其界面能。此外，通过GNP-PEEK模型研究了GNPs分散性对界面性能的影响。

微观结构分析

TEM观察显示，GNPs呈多层褶皱结构(图6)，均匀分散于PEEK基体中(图6c-d)，界面结合良好，为复合材料力学性能提供了支撑。

CF/PEEK-Ti混合层板的弯曲性能

三点弯曲测试表明，阳极氧化处理的FMLs弯曲性能显著提升(图7a)。添加0.5wt.%GNPs的FMLs弯曲强度达782.6MPa，比未处理FMLs提高108.9%(图7b)。但GNPs含量超过0.5wt.%时，因团聚现象导致性能下降。

图8(a)-(g)所示为不同组试件经过弯曲试验后的弯曲骨折情况。

CF/PEEK-Ti混合层板的层间剪切性能

单搭接剪切测试显示，阳极氧化和GNPs添加均能提升剪切强度。0.5wt.%GNPs的FMLs剪切强度为16.9MPa，比纯FMLs提高130.8%(图9)。但高含量GNPs(>1.0wt.%)因团聚导致界面损伤比例增加(图10)。

金属-复合材料界面分析

SEM观察表明，GNPs的添加改善了PEEK/纤维界面结合(图11)。0.5wt.%GNPs的FMLs断裂表面覆盖大量PEEK基体(图11b)，而高含量GNPs(1.5wt.%)因团聚导致界面结合减弱(图11d)。

图12为添加GNPs前后fml的单搭接剪切断裂面图像。

RDF分析显示，PEEK分子间氢键作用显著(图13a)。界面能计算表明，GNPs的添加使Ti/PEEK界面能提高55.59kcal/mol(图13b)。分散性良好的GNPs模型需额外1658kcal/mol能量实现分离，表明其增强效果更显著(图15)。

如图14(a)(b)所示，建立了不同程度石墨烯分散的PEEK-GNPs模型，并进行了分离模拟。