计算机量子力学模拟:辅助开发下一代碳纤维-复合材料网

KAIST研究团队进行了最先进的计算机模拟,确定了碳纤维的原子设计原则,为设计生产下一代高质量碳纤维奠定了基础。

碳纤维具有轻质、高机械强度和高耐热性的优异特性,可广泛应用于各种高精尖领域,包括汽车制造、航空航天和核工程。

碳纤维通过聚合物前体,经纺丝、稳定化和碳化等一系列过程制备。然而,当聚合物基质中存在不明确的区域时,制得的碳纤维内含无序取向的缺陷,对于高质量碳纤维的生产,这一直是个很大的阻碍。

为解决这个问题,研究人员提出可引入碳纳米管(CNT)以增强聚合物的取向和结晶。然而,尽管明白了CNT-聚合物界面的取向几何形状对所生产碳纤维的质量有明显影响,但迄今为止,人们对CNT-聚合物界面的原子理解仍十分有限,这阻碍了碳纤维进一步的发展。

为了阐明CNT-聚合物相互作用的性质,来自能源、环境、水和可持续发展研究生院的Yong-Hoon Kim教授和他的团队,采用了多尺度方法对CNT-聚合物界面进行研究,这种方法结合了第一原理密度泛函理论(DFT)计算和力场分子动力学(MD)模拟,揭示了聚合物-CNT界面独特结构和电子特性。

他们对聚丙烯腈(PAN)-CNT(作为聚合物-CNT复合材料的代表)的混合结构进行了模拟研究。丙烯腈是碳纤维生产中最常见的聚合物前体,占碳纤维产量的90%以上。

DFT计算结果表明,平铺分布的PAN相较垂直分布的PAN,前者提供的PAN-CNT结合能更大。最大化平铺分布的PAN前体能让PAN在CNT上线性对准,从而实现预期的有序长程PAN-PAN包装。

他们还将CNT曲率确定为影响碳纤维质量的另一重要因素,给出零曲率石墨烯极限下PAN-CNT结合能最大的结果。在大量MD模拟后,发现石墨烯纳米带诱导吸附在石墨烯上的PAN,表现出排列具有很高的倾向性,证明石墨烯纳米带是一种很有前途的碳纳米增强候选物。

Kim教授说:“这项研究可以成为一个典型案例,其中量子力学模拟确定了开发先进材料的基本原则。模拟理论和计算机性能在进步,计算机模拟研究在材料设计开发中将发挥更大的作用。”

原文来自:PHYS.ORG,原文题目:Computer simulation identifies a key principle for next-generation carbon fibers,由新材料科技在线团队整理编辑。