近日，西南交通大学康国政教授团队陈开卷教授研究小组在复合材料领域旗舰期刊《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》发表题为 “Phase-field simulation of crystal growth in fiber-reinforced semi-crystalline polymers” 的研究成果。论文第一作者为西南交通大学力学与航空航天学院硕士生左宇航，西南交通大学陈开卷教授为通讯作者，合作者包括西南交通大学康国政教授，南洋理工大学博士后李卫东、西南交通大学高霞副教授、西北工业大学雷鸣教授。
图1 论文首页
半晶态聚合物复合材料具有易加工、原料可回收利用和力学性能良好等优点，在航空航天器件与生物医学等领域具有广阔的应用前景。材料的结晶形貌是影响复合材料力学性能的重要因素。在冷却结晶过程中，增强相可作为异相成核位点促进聚合物基体成核，进而改变球晶尺寸和结晶形貌。因此，揭示半晶态聚合物复合材料的结晶行为，对预测其宏观力学性能具有重要意义。相场模型能够模拟聚合物结晶过程中的成核与晶体生长，为研究半晶态复合材料结晶行为提供了有效的方法。为此，本研究建立了考虑异相成核的相场模型，以纤维增强聚乳酸材料为研究对象，实现了纤维增强聚乳酸材料结晶行为的模拟，为半晶态聚合物复合材料的微观结构设计提供了指导。
研究引入了考虑异相成核行为的成核动力学模型，将传统异相成核理论中理想化平坦基底的假设，采用圆柱帽模型进行替代，并通过接触角控制临界成核能垒，同时在每个时间步中，通过泊松统计与随机抽样分别计算均相成核和异相成核的成核概率并植入晶核。
图2 纤维界面异相成核与远离纤维区域均相成核示意图
研究进一步对模型的可行性与准确性进行了系统验证。通过与已有实验观测结果的对比分析，模拟得到的晶体形貌、球晶平均半径及成核密度等关键参数均与实验数据表现出良好的一致性，从而证明了该相场模型在描述纤维诱导异相成核及聚合物结晶过程方面的可靠性。
图3 碳纤维增强聚乳酸材料相场模拟与实验观测
另外，还探讨了纤维特征参数与热力学条件对纤维增强聚乳酸复合材料结晶行为的影响。结果表明：增加纤维体积分数使基体内球晶尺寸减小、整体结晶速率提高；增加纤维平均长度与减小接触角均有利于纤维表面横晶层的形成；结晶温度则对纤维表面异相成核与基体内部均相成核产生不同影响。
图4 不同纤维平均长度对结晶行为影响
本研究基于 Ginzburg–Landau 理论建立了考虑异相成核的相场模型，系统模拟了短纤维增强聚乳酸复合材料的结晶过程。揭示了纤维体积分数、纤维平均长度、接触角度及结晶温度对结晶行为的影响，为复合材料的微观结构设计提供了指导。
本研究得到了国家自然科学基金（12302087）和中央高校基本科研业务费（2682026GH007）资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2026.110404
