CF-PEEK界面蠕变分子动力学模拟 原创

关键词：CF/PEEK；分子动力学；界面蠕变；剪切蠕变；本构模型

一、文章简要介绍

碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）凭借高比强、耐高温和耐疲劳等优势，在航空航天轻量化构件中应用广泛。但在长期服役载荷下，碳纤维与PEEK基体之间的界面会缓慢发生剪切蠕变，进而引发纤维脱粘、结构失效。弄清界面蠕变的微观机理，是提升复合材料长期可靠性的关键。

图1 CF/PEEK界面多尺度分子模型构建

为从原子尺度揭示机理，论文搭建了CF/PEEK夹层界面模型：用4层石墨烯（7.4 nm乘以6.4 nm、厚1.5 nm）代替碳纤维，两侧堆叠PEEK无定形分子晶胞，最终形成13 nm乘以11 nm乘以33 nm、包含22365个原子的模拟盒子。PEEK晶胞由聚合度15的重复单元组成、约7680个原子，初始密度设为1 g/cm3。

图2 PEEK沿界面方向密度分布云图

模型可靠性首先通过结构与物性验证。沿界面方向（z轴）的密度分布显示，在纤维吸附处出现密度峰值、内部体相区平均密度约1.3 g/cm3，与实验规律一致；全局平均密度约1.20 g/cm3。玻璃化转变温度经均方位移法和密度法分别求得约447 K和444 K，与实验值约433 K的偏差均在3.5%以内。

二、仿真步骤

分子模型在LAMMPS中采用CVFF力场完成构建与平衡：先能量最小化修正初始构型，再在NPT系综下弛豫5 ns，时间步长1 fs。PEEK分子经多步升温和降温退火，使密度与均方位移达到平衡。

剪切蠕变模拟时，固定上下厚度0.5 nm的PEEK层，对中央石墨烯层施加恒定拉力，体系处于300 K的NVT系综。为寻找界面失效的应力阈值，加载应力覆盖39.18 MPa至71.61 MPa多个水平，并同步记录势能与非键能演化。

图3 低应力下界面剪切蠕变曲线与原子应变

在低应力（39.18 MPa、46.61 MPa）下，界面应变曲线呈典型的三阶段：初始应变率下降、中段近似恒定、后期几乎不再增长，全程无断裂脱粘。原子应变云图显示，载荷初期界面轻微滑动，进入II阶段后PEEK被明显拖拽，但始终未脱离。

图4 高应力下界面加速蠕变与脱粘过程

当应力提高到52.69 MPa、59.44 MPa、71.61 MPa时，界面在2 ns内全部脱粘，其中59.44 MPa与71.61 MPa甚至在1 ns内即告失效，蠕变由恒定阶段直接进入加速阶段。52.69 MPa被判定为蠕变脱粘阈值应力，显著低于实验测得的82.53 MPa剪切强度——原因在于持续应力虽低于界面强度，但局部脱粘过程已被激活。

三、关键结果与发现

从能量视角可解释滑动与脱粘的分野：在整个蠕变过程中，当外加应力与非键作用力博弈时，非键力先屈服导致界面脱粘，外载先屈服则仅表现为滑动。这一能量判据比传统瞬时强度更能刻画长期蠕变行为。论文进一步提出改进Burgers串联本构模型（弹簧加粘性元件加非线性粘塑性元件串联），界面剪切模量取160 MPa、阈值应力50 MPa，对低中高应力蠕变曲线的拟合优度最高达0.9663。

图5 蠕变过程界面势能与非键能演化

图6 串联蠕变本构模型与拟合曲线

四、我们提供的服务

① 复合材料（CF/PEEK及同类）界面的分子动力学建模与力场参数标定。

② 聚合物基复合材料界面剪切蠕变、脱粘行为的MD仿真与机理分析。

③ 基于分子模拟的玻璃化转变温度、密度、界面结合能预测。

④ 跨尺度蠕变本构模型（改进Burgers、KV等）拟合与宏观疲劳寿命评估。

⑤ 复合材料界面改性方案的多尺度仿真对比与工艺优化建议。

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