1.基于分子模拟的金属与环氧树脂界面应力降低方法,其特征在于,具体为:步骤1)采用Material Studio软件建立环氧树脂复合材料分子动力学模型;步骤2)使用MS软件中的Forcite模块对步骤1得到的交联模型进行参数计算;步骤3)修正步骤1)中的分子动力学模型,得到修正后的分子动力学模型;步骤4)通过在修正后分子动力学模型中设置不同目标交联度,采用步骤2)中方法求取不同交联度下的热、力学参数,并以环氧树脂复合材料温度和固化度这两个固化参数拟合热、力学计算曲线;5)搭建多物理场有限元仿真模型,具体包括传热固化模块、流动压实模块和应力应变模块;6)仿真计算环氧树脂复合材料内部温度、固化度、应力、应变分布;对修正后分子动力学模型进行交联度计算,直至输出界面应力最小值;步骤1具体为:步骤1.1)采用Material Studio软件中的非晶细胞工具构建3D盒结构;最初在低密度下创建分子动力学模型,并使用共轭梯度法通过能量最小化来松弛,然后使用等温和等容MD模拟进行几何优化和动力学弛豫,得到能量最低的分子动力学模型;最后在大气压下进行等压MD模拟以获得密度和分子排布最接近实际分布的构型,从而在化学反应开始之前使初始混合物完全平衡,基于上述操作得到了未固化的环氧树脂-固化剂无定型晶胞结构模型;步骤1.2)交联过程:使用Perl编程语言进行MD模拟,设定交联反应温度、交联距离、环氧树脂复合材料的目标交联密度;未固化的环氧树脂-固化剂无定型晶胞结构模型在NPT系统下平衡,并且重复化学反应的循环,然后进行热化,直到获得所需的固化度;其中模拟力场为COMPASSⅡ力场,温控算法为Andersen,压控算法为Berendsen,静电相互作用基于Ewald方法和Atom based方法,模拟精度为Medium;步骤1.3)退火过程:将1.2)中具有不同固化度的模型进行退火处理,以得到进行热力学参数计算的最终交联模型。
2.根据权利要求1所述的基于分子模拟的金属与环氧树脂界面应力降低方法,其特征在于,步骤2具体为:步骤2.1)通过对环氧树脂体系进行准静态降温模拟即可求得玻璃化转变温度T g ,具体为:使用Perl语言编写脚本,将步骤1得到的模型升温,并进行准静态降温,逐步冷却;在每个温度点,均对模型交替进行NPT/NVT分子动力学模拟;总共进行多轮模拟,使用每个温度下模型密度的平均值来确定玻璃化转变温度T g ;环氧树脂复合材料的玻璃化转变温度T g 是根据恒压冷却过程中密度-温度关系斜率的变化计算得出的;步骤2.2)本文采用NEMD法计算热导率;具体为:首先对步骤1得到的模型在NVT系统下运行,之后撤销掉NVT整体热浴,在NVE系综下进行局部热浴运行,将步骤1最终得到的模型沿x轴分成多块区域,在左右两侧边界分别取2两块区域进行固定,作为固定层,左侧紧贴着固定层的区域设置为热汇,右侧紧贴固定层区域设为热源,使用朗之万热浴设置热源、热汇的温度值,这样从热源到热汇不断地进行能量交换,最终到达温度梯度的平衡稳定,对温度分布进行线性拟合,得到温度梯度,然后基于傅里叶定律可得热导率;比热容根据式(1)来计算:式中:J为z方向的能量通量:dT/dz为温度梯度负号表示能量通量的方向与梯度相反;步骤2.3)热膨胀系数的计算公式为:式中:V是模型的体积;步骤2.4)根据式(3)计算出模型的刚度矩阵,其元素为势能对应变的二阶导数,即式中,U为势能;σ为应力,是单位体积势能对应变的一阶导数,“+”代表拉伸,“-”代表压缩;ε为应变;对于各向同性材料,两个Lame常数λ和μ从式(4)刚性矩阵得到:据此得到杨氏模量E、剪切模量G、体积模量B和泊松比v为:
3.根据权利要求2所述的基于分子模拟的金属与环氧树脂界面应力降低方法,其特征在于,步骤3具体为:步骤3.1)热、力学试验参数测量:导热系数和比热容是影响复合材料内部热量的传递和交换的重要参数,使用激光导热仪NETZSCHLFA447测试环氧树脂复合材料的导热系数和比热容;瑞士梅特勒DSC822的差示扫描量热仪测试环氧树脂复合材料的玻璃化转变温度;通过QL-300G/QL-300S密度测试仪测量环氧树脂复合材料的密度;使用线性热膨胀仪测试环氧树脂的热膨胀系数;采用动态万能试验机Z250测试储能模量和泊松比;步骤3.2)经验和半经验公式修正:比热容的计算需考虑量子效应,即通过速度自相关函数做傅里叶变换计算声子态密度,然后根据经典与量子的统计关系得到量子修正因子f:其中,x是统计物理中常用的约化能量;将修正后态密度与坐标轴围成的面积除以态密度与坐标轴围成的面积,可得比热容的修正因子k c ,然后可得修正比热容计算公式为:式中T是系统温度;E是系统的总能量;步骤3.3)通过步骤3.1)得到的实验测量与步骤2)得到的分子动力学仿真计算比较,采用经验公式修正分子动力学模型。
4.根据权利要求3所述的基于分子模拟的金属与环氧树脂界面应力降低方法,其特征在于,步骤5具体为:步骤5.1)将仿真模型离散化为有限元网格;根据模型的复杂程度和计算要求,选择合适的网格划分方法;步骤5.2)传热固化模块的建立:具体搭建流程如下:(1)定义传热固化问题的数学方程;(2)将方程离散化为有限元格式,并在网格节点上构建有限元方程组;(3)选择迭代法或直接求解法,求解有限元方程组;(4)根据求解结果,分析温度分布、固化状态;步骤5.3)流动压实模块的建立:具体搭建流程如下:(1)定义流动压实问题的数学方程;(2)将方程离散化为有限元格式,并在网格节点上构建有限元方程组;(3)选择迭代法或直接求解法,求解有限元方程组;(4)据求解结果,分析流动场、混合状态;步骤5.4)应力应变模块的建立:具体搭建流程如下:(1)定义应力应变问题的数学方程,如弹性力学方程和材料本构关系;(2)将方程离散化为有限元格式,并在网格节点上构建有限元方程组;(3)选择迭代法或直接求解法,求解有限元方程组;(4)根据求解结果,分析应力分布、变形情况。
5.根据权利要求4所述的基于分子模拟的金属与环氧树脂界面应力降低方法,其特征在于,步骤6具体为:将步骤4)中随交联程度变化的热、力学参数作为步骤5)中搭建的界面应力有限元仿真模型的初始材料参数,仿真可计算环氧树脂复合材料内部温度、固化度、应力、应变分布;以金属导体与环氧树脂复合材料界面处应力最小值为最优目标,如果计算出的界面应力非极值,重新对修正后分子动力学模型进行交联度计算,直至输出界面应力最小值。