石墨烯聚乙烯复合材料及其拉伸性能的分子动力学模拟

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1、第4期高分子学报No.42017年4月ACTAPOLYMERICASINICAApr.,2017*石墨烯/聚乙烯复合材料及其拉伸性能的分子动力学模拟111111,2**陈生辉吕强郭继成王志坤孙霜青胡松青(1中国石油大学(华东)理学院2山东省高校新能源物理与材料科学重点实验室(中国石油大学(华东))青岛266580)摘要利用分子动力学方法，模拟石墨烯/聚乙烯复合材料的微观结构和性能，并采用单轴拉伸模拟方法研究石墨烯/聚乙烯复合材料的拉伸性能.结果表明，在石墨烯/聚乙烯复合材料平衡构型中，聚乙烯基体分子在石墨烯表面处形成多层吸附层，

2、吸附层处于动态稳定状态，层内分子可以发生扩散迁移.吸附层内聚乙烯分子发生“吸附固化”现象，分子弯曲程度减弱，发生有序排列，且在垂直于石墨烯方向的运动性能受到抑制.拉伸模拟结果表明，石墨烯能够提高聚乙烯材料的拉伸性能.在弹性区和屈服区，石墨烯阻碍了复合材料在垂直于拉伸方向的压缩变形，聚乙烯分子“吸附固化”结构保持稳定，引起体系整体应力的迅速升高.在软化区，由于石墨烯发生剧烈弯曲，“吸附固化”结构发生破坏，最终引起体系应力迅速减小.在弹性区和屈服区，体系应变主要引起了非键相互作用的改变.在软化区之后，应变主要导致了体系内分子成键相互

3、作用的改变.应变速率能够提高复合材料的屈服应力，而不改变复合材料应力应变的整体趋势.关键词分子动力学模拟，石墨烯，聚乙烯，单轴拉伸，复合材料石墨烯由于其具有众多优异的性能，受到研等[12]利用分子动力学模拟方法研究了乙烯基酯究人员的了普遍关注[1~5].将石墨烯加入聚合物树脂在石墨烯表面的微观结构，并利用拔出法分材料中能够显著改善基体材料的力学，电学和热析了石墨烯与乙烯基酯树脂的结合强度.通过模学等性能[6,7]，目前石墨烯/聚合物复合材料成为拟发现，交联的乙烯基酯树脂在石墨烯表面形成众多领域的研究热点.Rafiee等[8]通过

4、在尼龙材了界面层，在界面层内苯乙烯固化剂的含量高于料中添加0.6wt%的石墨烯获得石墨烯复合材料，体相内的含量，导致界面的剪切强度与体相存在实验结果表明其抗拉伸强度提高了35%，断裂应差异，而界面的剪切强度与复合材料的宏观力学变提高了200%.Ramanathan等[9]发现少量石墨烯性质密切相关.Chen等[13]研究了搭接石墨烯表面能够显著提高PMMA材料的杨氏模量.与碳纳米环氧树脂单体的分布情况，结果表明环氧树脂单管相比，石墨烯具有二维平面结构，对聚合物材体分子在石墨烯表面出现了不同的分布浓度，且料力学性能具有更优的改善效

5、果[10,11].石墨烯/石墨烯表面的基体分子的结构和性能均发生变聚合物复合材料的优良力学性能使其成为具有化.Wang等[14]利用分子动力学方法研究了石墨广泛应用潜力的高强度材料.烯-聚乙烯复合材料的界面行为，对界面剪切力和由于实验方法的局限性，从原子水平对石墨界面剪切应力进行了计算，同时考察了石墨烯尺烯/聚合物复合材料进行实验研究非常困难.分寸，层数和结构缺陷等因素的影响.Lv等[15]利用子模拟方法以其独特的优势已成为研究复合材分子动力学模拟方法研究了石墨烯表面修饰的料结构和性能的有效工具.分子模拟方法不仅能化学官能团对石

6、墨烯和聚合物之间界面结合的够分析复合材料的微观结构和性质，而且可以提影响.模拟结果表明石墨烯与聚合物之间的结合供原子水平的动态信息，在复合材料界面性质和能和剪切应力随着官能团浓度的增加而增加，通力学性质研究方面得到了广泛应用.例如，Jang过在石墨烯表面修饰一定浓度的特定化学基团*2016-06-15收稿，2016-07-18修稿；中国石油科技创新基金(基金号2015D-5006-0213)和中央高校基本科研业务费专项资金(项目号14CX02221A,16CX05017A)资助.**通讯联系人，E-mail:songqinghu

7、@upc.edu.cndoi:10.11777/j.issn1000-3304.2017.1620112高分子学报2017年能够有效地增加石墨烯与聚合物之间的载荷转本文选取聚乙烯材料作为基体材料，构建含移，从而制备具有良好力学性能的复合材料.Li有石墨烯的复合材料模型，获得复合材料平衡体等[16]利用分子动力学方法对多层石墨烯改性的系的微观结构和性质，并利用单轴拉伸模拟研究聚合物进行了模拟，并研究了拉伸过程中体系应其力学性能，从结构和能量角度对拉伸过程进行力变化和形态变化.Rahman等[17]利用AIREBO力深入分析.本文的

8、研究结果有助于理解石墨烯复场对石墨烯/聚乙烯复合材料拉伸过程进行了分合材料的微观结构及石墨烯的改性机理.子动力学模拟，文章考察了多层石墨烯的不同空1计算方法间分布对拉伸过程的影响，并进一步分析了复合材料失效机理.Nayebi等[18]利用Reax反应力场模1.1