聚合物基复合材料的微观力学研究

聚合物基复合材料被越来越多地用于不同尺度的工程应用中，从纳米结构，如微电子系统中的光刻胶，到宏观应用，如航空航天、汽车以及土木工程中大量运用的复材构件等。在多尺度自下而上地表征聚合物基复合材料的结构与性能是一直以来的难点之一。为了解决这个问题，我们开发了一套多尺度模拟方法，建立了聚合物基复合材料的分子模型与粗粒化模型，实现了从纳米尺度到介观尺度对其力学性能的表征。本研究开发的多尺度模拟方法有助于将纳米尺度的力学性能表征与宏观尺度的材料失效问题联系起来。

纤维增强复合材料的失效机理研究

纤维增强复合材料（FRP）具有优异的力学性能，被越来越多地应用在基础设施建设及土木工程中，特别是海洋及近海工程。近年来，实际工程中发现在外界环境侵蚀下，纤维‒树脂粘结界面会被削弱并发生脱粘破坏，影响纤维间应力的有效传递，导致 FRP 性能退化。为了研究此界面的失效机理，我们开发了一套分子动力学模拟方法，建立了纤维‒树脂界面在的分子尺度模型，研究了高温湿热、盐水侵蚀以及外力荷载等作用下纤维‒树脂界面的结构与性能的变化及其失效的机理。我们的研究结果为环境侵蚀下中纤维‒树脂界面的退化机理提供了微观层面的信息，为开发多尺度模拟框架表征 FRP 复材的失效奠定了基础。

竹材/木材的微观力学研究

植物材料的多层级结构及其在不同层级尺度的优越力学性能使其成为仿生工程中优良的研究对象，设计具有不同特性的结构材料。由于细胞壁为主要承载结构，深入了解细胞壁微观结构与其性能之间的相互作用是未来制造性能可控材料的核心。运用分子动力学方法，我们在微观尺度研究了竹材细胞壁中聚合物组分的粘弹性能和力学性能，以及发现了细胞壁组分的力学性能及其相互作用决定了细胞壁结构的力学性能。本课题为组装/设计结构及其基本组分、制造具有特定性能的仿生材料提供重要基础。

环氧树脂粘结系统的界面失效机理研究

聚合物与无机物基底的粘结系统广泛存在于微电子系统中。这种材料体系的耐久性主要取决于粘结界面的完整性。在外界环境下，树脂中的化学键可能会断裂，同时，水分子会被粘结系统所吸收。运用分子动力学模拟，我们的研究探明了树脂结构的交联度以及系统中水分子如何影响系统的多层级结构以及材料间相互作用，从而加速了树脂的剥离和最终的界面脱粘。同时，揭示了系统的粘结性能与树脂结构以及周围环境（即水分子）之间的关系，并在微观尺度揭示界面退化的机理。本研究建立的分子动力学模拟框架可用于预测在不同环境作用下聚合物粘结系统的长期性能。

FRP‒木材复合结构的界面失效机理研究

凭借优越的力学性能，FRP 被广泛应用于受损结构的加固，包括对木结构的加固。对于这种多层材料的粘结系统，在外界环境下（特别是湿热环境下）的长期耐久性能是一个突出的问题，其主要与环氧树脂和木材之间的界面完整性有关。为了研究这个问题，我们开发了一种多尺度模拟方法，分别构建了环氧树脂‒木材界面的分子模型与粗粒化模型，研究不同环境作用下的界面特性。研究结果量化了粘结界面在不同湿度和温度下的粘结性能，探究其在湿热环境下的失效机理。