[论文解读] Thermal Conductivities and Mechanical Properties of Epoxy Resin as a Function of the Degree of Cross-linking

Xiao Wan, Barış Demir+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2021

Thermal properties of materials参考文献 54被引用 4

一句话总结

本研究采用分子动力学模拟，探究交联密度对双酚F与二乙基甲苯二胺环氧树脂热导率和力学性能的影响。结果表明，提高交联度可同时增强弹性模量和热导率，其中键合力贡献在热流传输中起关键作用，为定制化环氧树脂提供了分子尺度的设计框架。

ABSTRACT

Epoxy resins are widely used polymer matrices for numerous applications. Despite substantial advances, the molecular-level knowledge-base required to exploit these materials to their full potential remains limited. A deeper comprehension of structure/property relationships in epoxy resins at the molecular level is critical to progressing these efforts. It can be laborious, if not impractical, to elucidate these relationships based on experiments alone. Here, molecular dynamics simulations are used to calculate and compare thermal conductivities and mechanical properties of an exemplar epoxy resin, Bisphenol F cross-linked with Diethyl Toluene Diamine, revealing these inter-relationships. Both elastic modulus and thermal transport of the epoxy resin show an increase with greater cross-linking. Specifically, decomposition of the thermal conductivity into different force contributions suggests that the bonded term contributes to an increase in the heat flux. These outcomes provide a foundation for designing and fabricating customized epoxy resins with desirable thermal and mechanical attributes.

研究动机与目标

• 在分子尺度上建立环氧树脂的结构-性能关系。
• 解决因分子尺度理解有限而阻碍最优材料设计的问题。
• 研究交联密度对热性能和力学性能的影响。
• 识别决定交联环氧树脂热传导与刚度的原子级机制。
• 为工程化设计具有定制化热学与力学性能的环氧树脂提供基础。

提出的方法

• 采用分子动力学（MD）模拟，构建基于双酚F与二乙基甲苯二胺的环氧树脂体系。
• 系统调节交联度，以模拟不同网络密度。
• 利用Green-Kubo公式计算热导率，分解不同力项的贡献。
• 通过拉伸形变下的应力-应变响应评估弹性模量等力学性能。
• 分析键合、非键合及总力项对热导率的贡献。
• 对比不同交联水平的结果，识别热学与力学行为的变化趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 交联密度增加如何影响环氧树脂的热导率？
• RQ2 不同原子间作用力贡献（键合与非键合）在热传导中扮演何种角色？
• RQ3 交联如何影响环氧网络的弹性模量？
• RQ4 导致热学与力学性能变化的分子级机制是什么？
• RQ5 交联与性能提升之间的关系是否可量化，以支持预测性设计？

主要发现

• 环氧树脂的热导率随交联度提高而增加。
• 键合力对热导率的贡献显著，且随交联密度增加而增强。
• 弹性模量随交联度增加而持续上升，表明刚度增强。
• 热导率的分解分析表明，键合作用在热流传输中起关键作用。
• 模拟结果表明，交联密度与热学及力学性能之间存在明确的正相关关系。
• 这些发现为设计具有定制化热学与力学性能的环氧树脂提供了分子尺度依据。