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POSS纳米杂化材料的分子动力学模拟方法与力学性能研究

李君  
【摘要】:POSS有机-无机纳米杂化材料是一种新型的纳米复合材料,通过物理或化学手段将POSS单体与聚合物主链结合从而提高聚合物的弹性模量、硬度、强度、玻璃态转变温度、耐磨性等物理和化学性质。但是,POSS对聚合物改性的机理还没有被广泛接受的解释。本文采用分子力学模拟方法、分子动力学模拟方法和细观力学方法,从不同角度研究了POSS对常见聚合物力学和热学性能的影响,并从结构和能量两方面探讨了POSS对聚合物性能的增强机理。 采用分子力学方法模拟了聚苯乙烯(PS)和POSS杂化聚苯乙烯(POSS-PS)在单轴拉伸实验中的力学行为,得到了POSS对PS力学性能的增强机理。通过应力-应变曲线计算了两种聚合物的拉伸模量,结果表明,POSS-PS的拉伸模量相对于PS得到了大幅提高,弹性极限也有显著增加。对两种聚合物在拉伸过程中变形情况的详细分析显示,空洞的出现、增长和相连是聚合物破坏的原因,POSS与聚合物结合一方面起到连接聚合物分子链的作用,另一方面有效地阻碍了空洞的生长,从而使聚合物可以承受更大的载荷而达到增强聚合物力学性质的效果。随后对两种聚合物的纳米压痕实验进行了分子力学模拟,得到了不同尺寸压头作用下PS和POSS-PS的硬度-压痕深度曲线。采用一个形式简单的公式描述聚合物硬度与压痕深度之间的关系,根据此公式计算了不同压头下两种材料的极限硬度,考察了压头的尺寸效应。结果显示,计算得到的极限硬度随着压头尺寸的增加而减小,而POSS-PS相对于PS硬度的增强效果呈增加趋势。 结合最小二乘法和统计热力学理论提出了一种新的计算弹性常数的应力-应变涨落方法,并给出了一个简单的公式,该公式相对于已有的公式具有更好的通用性和结构不变性,通过该公式计算得到的刚度矩阵具有更好的对称性。在不同温度下,通过对Ar的分子动力学模拟验证了该公式的收敛速度和计算精度。 采用分子动力学方法模拟了聚乙烯(PE)及POSS杂化聚乙烯(POSS-PE)在不同温度下的热学及力学性质,并分析了POSS对PE性能产生影响的原因。首先,考察了三种通用分子力场用于聚合物分子动力学模拟的可行性,对PE和POSS-PE的分子动力学模拟表明CVFF分子力场比较适合POSS杂化材料的模拟。随后对PE以及三种含有不同POSS含量的POSS-PE进行了模拟,通过体积-温度曲线的斜率转折点得到了四种聚合物的玻璃态转变温度(Tg),对各部分能量的分析表明Tg是由聚合物主链的扭转和分子链间的相对运动造成的,而POSS的加入对这两项的影响不大,所以对PE的Tg影响很小。另一方面,采用本文提出的涨落公式计算得到了四种聚合物的弹性常数,结果显示,加入一定量的POSS可以提高聚合物的模量。通过详细分析哈密顿量各部分对弹性常数的贡献,表明POSS的加入主要增强了键长能和范德华能对体积模量的贡献,同时,增强了键长能对剪切模量的贡献,却削弱了库伦能对剪切模量的贡献,这些因素的综合作用,是POSS对聚合物的力学性质产生影响的本质原因。 采用细观力学方法研究了不同POSS含量对于聚合物模量的影响,得到了POSS杂化材料等效模量的计算方法,扩展了细观力学的应用。通过三相材料模型,根据纯POSS材料的模量,得到了POSS单体的模量。不同温度下的结果说明采用三相材料模型来计算POSS单体的模量是可行的。进而,基于两相球模型提出了四种联合方法,计算结果显示对于POSS-PE,联合方法与细观力学方法的结果差别不大。然后,推导了自洽MT方法作为细观力学均匀化方法的补充,并且通过分析微分方法的可逆性得到了一个新公式。最后结合该公式、自洽MT方法和自洽方法的形式,提出了计算两相材料等效模量的一般自洽方法。一般自洽公式既可准确地预测复合材料的等效模量,也可用于研究POSS杂化材料模量随POSS含量的变化情况。


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