POSS纳米杂化材料纳米压痕的分子力学模拟.doc

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1、POSS纳米杂化材料纳米压痕的分子力学模拟曾凡林孙毅李君胡恩来(哈尔滨工业大学航天科学与力学系，哈尔滨工业大学344信箱，150001)摘要：采用分子力学模拟方法研究了POSS纳米杂化材料在方形压头纳米压痕下的力学行为。首先建立了高分子材料的长链单分子模型和多分子纳米压痕模拟模型。采用“随机行走”法建立开环单长链分子的分子链骨架，采用“定向行走”法建立闭环结构的分子链骨架。研究了丙基POSS聚苯乙烯纳米杂化材料和普通的聚苯乙烯材料在纳米压痕下的载荷—位移关系及结构变化。研究结果表明：1、两种材料在模拟中，载荷都随着位移的增加呈现锯齿状的增加过程。2、结合载荷—位移曲线和形变分析，提出了一种高分

2、子材料在纳米压痕分子模拟下硬度的计算方法。计算结果表明少量的POSS能使高分子材料的硬度提高50%以上。3、提出了一种表征聚合物硬度与压痕深度关系的公式，实际计算结果表明该公式能够较准确地描述各类高分子材料在纳米压痕测试中硬度与压痕深度的关系。用此公式修正了两种材料的硬度并给出了在真实纳米压痕实验中所需要的有效压痕深度。本文的研究工作将会为高分子材料在纳米压痕的分子模拟中力学参量的表征提供一定参考，同时为定量描述高分子材料在纳米压痕测试中硬度与压痕深度的关系提供参考。关键词:POSS，纳米压痕，分子力学模拟，硬度前言多面体低聚倍半硅氧烷（PolyhedralOligomericSilsesqu

3、ioxane,简称POSS）是一类结构简式为(RSiO1.5)n（n≥4且为偶数，R=H、烷基、芳基或有机官能基团）的化合物。这类化合物能够与常规高分子材料的分子链化学结合从而形成POSS有机无机纳米杂化材料[1]。与常规的高分子聚合物相比，POSS有机无机纳米杂化材料具有了一系列优异的力学物理性能，包括耐磨性、耐高温性、硬度、强度等[2-4]。硬度是表征材料力学性能的一个重要物理量，纳米压痕法是测量材料硬度的一种成熟而有效的方法[5]。但是在高分子材料纳米压痕的分子力学模拟方面，如何计算材料的硬度以及如何表征硬度与压痕深度的关系一直都是难以解决的问题。本文以聚苯乙烯和丙基POSS聚苯乙烯这两

4、种材料为背景，运用分子力学模拟方法研究了高分子材料在纳米压痕下的硬度计算方法并提出表征高分子材料硬度与压痕深度的公式，讨论了POSS对高分子材料硬度的影响。1．分子模型和压痕模型对于高分子材料的分子模拟来说，分子模型的大小是必须要考虑的。一方面为了接近于真实的分子结构需要模型的长度尽可能的大，另一方面计算机处理能力的限制又希望模型尽可能的小。有研究表明，当分子链的长度接近60时，计算结果相差不大[6]。综合考虑，本文取PS的单分子链模型长度为66，即每个PS的分子链是由66个苯乙烯的单体组成。每个PS分子链包含有1058个原子。对于P-POSS-PS来说，取分子链的长度为55，即每个P-POS

5、S-PS的分子链骨架由55个苯乙烯单体组成，在这个包含有55个苯乙烯单体的分子链上再悬挂5个丙基POSS（P-POSS）单体。P-POSS-PS中POSS的摩尔百分含量为9.1%。为了让P-POSS单体分布均匀，分别让这5个P-POSS单体附着在第6个、第17个、第28个、第39个和第50个苯乙烯单体上。一个P-POSS-PS的分子链包含的总的原子数为1232个。在两种物质的分子模型中，分子链两端的单体上碳原子被认为是饱和的。P-POSS-PS的分子结构如图1所示。图1P-POSS-PS的分子结构图图2纳米压痕模拟模型压痕模拟模型如图2所示，压头为方形压头，宽为8Å，长度与压入物体的宽度相等，

6、置于模型的中心，在模型的x-y平面上表面开始，沿着-z轴方向压入。采用的是位移加载方式，基底上的原子随着压头的下压而随之往下运动从而形成压痕。PS的压痕模拟模型由8个单独的PS分子链组成，模型的密度为1.05g/cm3，含有8564个原子，模型为立方体结构，在x，y，z方向的尺寸均为44.3312Å。P-POSS-PS的压痕模拟模型由8个P-POSS-PS的分子链构成，模型密度为1.35g/cm3，含有9856个原子。模型为立方体结构，其在x，y，z方向的尺寸均为46.2748Å。2．模拟方法及过程采用位移加载的方式，压头每一步沿着-z轴方向往下移动0.3Å，PS和P-POSS-PS的分子模型

7、受到压头的约束作用而逐步产生压痕。对于PS来说，一共加载了23步，压头一共下压的深度为6.9Å。而对于P-POSS-PS来说，因为压头所处的中心位置正好有一个丙基突出表面，所以压头的初始位置要高出平面，这样为了使压头在P-POSS-PS上产生与PS中大致相同的压痕深度，一共加载了34步，下压的深度为10.2Å。虽然加载的步数不同，但是由于压头的初始高度不同，它们的压痕深度是基本相同的。两模型上表面