高分子纳米复合材料拉伸及压缩的分子动力学模拟.pdf

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1、第9期高分子学报NO．92014年9月ACTAPOLYMERICASINICASep．，2014高分子纳米复合材料拉伸及压缩的分子动力学模拟李宁宁王雷刘源梁好均(中国科学院软物质化学重点实验室中国科学技术大学高分子科学与工程系合肥230026)摘要利用高分子-纳米粒子粗粒化模型，对高分子纳米复合材料(polymernaYlo．composites，PNC)的拉伸、压缩及平衡态过程进行分子动力学模拟研究．通过模拟PNC的拉伸及压缩过程，研究纳米粒子大小、质量分数对PNC力学性能的影响及拉伸、压缩过程中PNC体系微观交联网络的变化．在纳米粒子表面积或质量分数相同的情况下，小尺寸纳米粒子对PNC的力

2、学性能增强效果更显著．对于含有质量分数不同的小尺寸纳米粒子的PNC体系，随纳米粒子质量分数增加，其力学性能增强，但增强程度逐渐减弱，且对于拉伸过程的材料增强效应，纳米粒子的质量分数存在最优值．在PNC体系中存在高分子高分子(polymer—polymer)、高分子一纳米粒子(polymer—NP)2种微观交联网络，拉伸及压缩过程中PNC体系中2种微观交联网络的变化趋势不同，PNC拉伸及压缩产生应力的微观机制也相应有所不同．此外，对含质量分数不同的小尺寸纳米粒子的PNC平衡态过程的模拟研究表明，PNC体系中2种微观交联网络的比例直接影响其力学性能的变化，而纳米粒子的聚集则会降低PNC的力学性能增

3、强效果．关键词高分子纳米复合材料，力学性能，分子动力学模拟，微观交联网络受纳米粒子的小尺寸效应、表面效应、量子尺模拟能够直观地描述体系的微观结构，精确控制寸效应和宏观量子隧道效应等影响，高分子纳米和调节纳米粒子大小、形状、质量分数以及其与高复合材料(polymernano—composites，PNC)，即纳米分子间相互作用等参数，较好地排除外在实验环尺寸填充物分散在高分子体系中形成的复合材境的影响，在PNC增强增韧机理研究、材料设计料，较传统材料在电学、光学、力学性能等方面得及性能预测方面有着重要作用¨．模拟研究到有效调整，综合性能极大提升，在汽车工业、高表明，高分子一纳米粒子相互作用强于或

4、等于高分级涂层材料等方面有重要应用．填料尺寸从子间相互作用时，纳米粒子尺寸越小，PNC的力微米级别转为纳米级别，使得填料的比表面积急学增强性能越明显。'”．在其他条件不变的剧增大，材料力学性能发生明显变化．例如，加入情况下，当纳米粒子的尺寸一定时纳米粒子的体微米尺寸的填料使橡胶增强增韧是橡胶工业重要积分数会对整个体系的力学性能产生明显的影的应用技术，而纳米二氧化硅替代橡胶中的炭响，随纳米粒子体积分数增加，PNC力学增强增黑则使材料的增强增韧性能更为显著’，作为韧程度变强，直至体积分数达一定值，之后随纳米一种橡胶补强剂广泛应用于轮胎制造．粒子体积分数增加，PNC增强增韧性能减弱，这研究表明，影响

5、PNC宏观力学性能的因素主与实验的结果相一致”’．Knauert和Kutvonen要有纳米粒子尺寸、形状、体积分数、分散度以及等用模拟方法对不同形状(棒状、球形、三角形以高分子基体性质、纳米粒子表面性质、高分子一纳及片状)的纳米粒子对PNC力学性能的影响进行米粒子界面作用等’．随着纳米技术的飞速发了研究¨’”，实验结果表明，对于碳纳米管或者展以及扫描力显微镜、电子显微镜等设备的进步，片层结构黏土，长径比的增加会导致PNC力学性人们更希望通过研究材料增强增韧产生机理，精能的增强¨．确控制纳米粒子大小、形状及表面性质等因素，实虽然前人对PNC力学增强性能已经进行了现对复合材料宏观性能的预测和控制．

6、计算机大量研究，但在微观机理解释方面，仍然存在很多十2014—02-20收稿；2014~3—24修稿．{通讯联系人，E—mail：hjliang@ustc．edu．cndoi：10．11777／j．issnl000—3304．2014．140529期李宁宁等：高分子纳米复合材料拉伸及压缩的分子动力学模拟未解决的问题．现阶段人们对于PNC力学增强的增强性能的微观结构机理微观机理解释主要分为结构和动力学两个方面．1模型和方法在结构方面，人们侧重于研究纳米粒子的加入对PNC中高分子网络的影响．相邻的纳米粒子间由1．1粗粒化模型及体系构建于高分子链的桥接作用，形成新的高分子-纳米粒在本文中，采用典型的

7、高分子．纳米粒子粗粒子网络．在高分子与纳米粒子的界面，由于纳化模型，将(CH)视为一个重复单体单元(分子米粒子的作用，高分子的局部链段取向及结构与量为56)，一个高分子链由若干单元键连而成；在高分子至纳米粒子的距离相关¨，使原有的高模型中，纳米粒子被统一粗粒化为单一粒子．分子网络发生改变．此外，Robert等认为纳米粒子在我们的模型中，非键作用均采用兰纳-琼斯与高分子的作用使高分子链缠结也是PNC