Page 98 - 化学分析与检测技术

化学分析与检测技术
Chemical Analysis and Detection Techniques

三、分子模拟技术在复合材料研究中的应用

（一）复合材料的结构模拟
分子模拟软件可以快速建立复合材料的微观构型，并且能够对其性质进行模
拟，为复合材料的理论研究及其应用提供帮助。以下简单介绍分子模拟在复合材

料结构模拟方面的研究实例。华南理工大学的高军等人运用分子力学和分子动力
学方法，从玻纤（GF）与聚乙烯（PE）界面结构和能量的微观角度分别探讨了
分子静态和动态下界面的吸附、粘结行为，并从分子微观角度提出玻纤增强聚合

物复合材料力学性能的观点。结果表明：体系中静电力、键合力和范德华力的作
用使得 GF/PE 混合体系比纯 PE 体系更加稳定；当 GF 加入量过大时，体系中非
键合原子之间近程排斥力增大，色散力减小，影响到基体 PE 与增强物 GF 的粘

接力，不能起到良好的粘结作用。
（二）复合材料界面作用的模拟
界面问题的研究始于 20 世纪 60 年代初期。自从 1962 年美国材料咨询委员

会成立了研究纤维增强复合材料界面的专业组之后，界面问题的研究引起人们的
广泛关注。几种脆性材料通过界面结合可组合成一种新的韧性材料，而各材料之
间的强结合可能产生强度成倍增大的新材料，这是界面所起的作用。对给定的增
强体和基体材料而言，界面是决定复合材料性能的决定性因素，因此，人们通过

设计和制作结构与性能适宜的界面，以获得符合预期性能的复合材料。目前该研
究领域已从过去的宏观性能进行经验性解释发展到微观层次上的分析。界面问题
虽在化学研究和实际应用中具有重要地位，但由于界面问题涉及的学科领域较广，

并且影响界面性能的因素较多，传统的试验手段难以深入研究界面相互作用强弱
及其微观机制。因此，许多试验无法得到的数据，可通过分子模拟手段轻松获得
（计算机可清晰展示分子的微观结构和计算材料的力学性能）；另外，分子模拟
在处理界面相互作用、揭示微观机制方面优势显著。

目前，人们对界面作用机理尚未得到统一的认识，尤其是对其界面化学反应、
界面应力、界面相微观结构、界面微观性能等特性与复合材料宏观整体性能之间
的关联尚未很好确立，存在许多亟待澄清和解决的科学问题。采用分子模拟方法，

可以从原子水平对界面进行分子结构设计，建立高效、高能、可控、稳定、规整
有序及定向排列的模型化界面相，并在分子水平上探讨界面之间的作用规律，为

·82·