固體推進(jìn)劑和高分子共混物的微觀、介觀和宏觀多尺度模擬研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的不斷提高，計(jì)算機(jī)模擬在材料設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中的作用越來越重要，其可以揭示一些無法或很難從實(shí)驗(yàn)獲得的微觀機(jī)理和本質(zhì)。高分子材料的特性是具有多個時間和空間尺度，到目前為止沒有一種單一的模擬方法可以跨越多個時間及空間尺度。本文采用分子動力學(xué)（MD）、介觀動力學(xué)（MesoDyn）、耗散粒子動力學(xué)（DPD）和有限元分析方法（FEM）對幾種高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了研究，主要包括：高分子粘結(jié)劑/增塑劑、二元高分子共混物和高分子/

2、粘土納米復(fù)合材料。
　?。?）固體推進(jìn)劑和塑性炸藥（RBX）的力學(xué)性能在很大程度上依賴于配方中高分子粘結(jié)劑與增塑劑的相容性。為預(yù)測這兩種材料的相容性，本文對高分子粘結(jié)劑/增塑劑共混物進(jìn)行了MD和MesoDyn模擬研究，即在 COMPASS力場條件下，對端羥基聚丁二烯（HTPB）/癸二酸二辛酯（DOS）和HTPB/硝化甘油（NG）共混物的的密度（ρ）、內(nèi)聚能密度（CED）、溶度參數(shù)（δ）、Flory–Huggins相互作用參數(shù)（χ）

3、、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和力學(xué)性能等進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果表明通過比較溶度參數(shù)差值（Δδ）的大小、分子間徑向分布函數(shù)g(r)或模擬前后體系密度變化情況均可以推測HTPB/DOS屬于相容體系，而HTPB/NG則不然。通過分析溫度-體積曲線得到HTPB、HTPB/DOS和HTPB/NG的Tg分別為197.54 K、176.30 K和200.03 K，而HTPB/DOS中只出現(xiàn)一個Tg的情況則進(jìn)一步表明其為相容體系；另外，通過MD模擬也可以得到

4、共混物的彈性模量（E），體積模量（K）和剪切模量（G），添加DOS增塑劑后使E、K和G顯著下降，柔性增強(qiáng)，共混物的力學(xué)性能得到有效改善。
　　將通過MD模擬得到的Δδ轉(zhuǎn)化為MesoDyn模擬的輸入?yún)?shù)，然后采用MesoDyn模擬方法對共混體系的介觀形貌與動力學(xué)演變過程進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算所得的等密度圖、有序度參數(shù)和自由能密度等也可用于判斷共混體系的相容性。MD和MesoDyn模擬結(jié)果均表明：HTPB/DOS屬于相容體系，而HTPB/N

5、G屬于不相容體系，其結(jié)論與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
　?。?）通過MD、MesoDyn和FEM等模擬計(jì)算方法研究了聚丙烯（PP）/尼龍11（PA11）和聚乳酸（PLA）/聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）共混物的相容性、介觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。分別建立了五個質(zhì)量比例為10/90、30/70、50/50、70/30和90/10的PP/PA11和PLA/PET共混物。通過MD模擬得到純物質(zhì)的δ與文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)值比較一致，通過比較模擬得到的χ與臨界值χc

6、的大小以及C-C原子對分子間g(r)的大小可以確定在90/10比例下PP/PA11共混具有一定相容性，其它比例下的PP/PA11共混物不相容，而PLA在任意比例下均與PET完全互溶。PP/PA11共混物出現(xiàn)兩個Tg，每個值分別對應(yīng)于各自組分的Tg，而PLA/PET共混物只有一個Tg，通過共混物的玻璃化轉(zhuǎn)變過程也可以證明共混體系的相容與否。
　　為了進(jìn)一步探究PP/PA11和PLA/PET共混物的介觀結(jié)構(gòu)，將MD模擬的組分間相互作用

7、的χ參數(shù)轉(zhuǎn)化為MesoDyn模擬的相互作用參數(shù)，采用MesoDyn模擬方法在介觀水平研究了共混物的相分離動力學(xué)過程，共混物的相容性可以從其介觀形態(tài)結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步證實(shí)。
　　將通過 MesoDyn模擬得到的周期性模擬盒子中基于網(wǎng)格的兩相濃度分布轉(zhuǎn)化為宏觀模擬中FEM分析的輸入結(jié)構(gòu)，通過FEM分析得到共混體系的力學(xué)性能和局部應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明：所有的共混物均為各向同性材料，PP/PA11共混物的模量（E，K和G）隨PP含量的增加線

8、性降低，PLA/PET共混物的E和G隨PLA含量的增加而增加，K隨PLA含量的增加而降低，F(xiàn)EM預(yù)測的值與實(shí)驗(yàn)測試值吻合較好。
　?。?）通過MD、DPD和FEM等計(jì)算模擬方法對PA11/季銨鹽（Quat）/蒙脫土（MMT）納米復(fù)合材料的微觀分子結(jié)構(gòu)、介觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能進(jìn)行了研究。MD模擬得到的平衡構(gòu)象表明：Quat分子平鋪在MMT上，幾乎覆蓋了MMT的整個表面，高分子鏈塌縮在季銨鹽分子上，沒有直接與MMT表面相接觸。Quat

9、與MMT之間存在強(qiáng)烈的相互作用，Quat中的極性基團(tuán)通過強(qiáng)烈的靜電吸引保持在鄰近的MMT層上，Quat中的非極性基團(tuán)通過范德華（vdW）力與高分子鏈發(fā)生作用，Quat與PA11之間的結(jié)合能也比較強(qiáng)。
　　通過將 MD模擬得到的非鍵相互作用能轉(zhuǎn)化為介觀模擬中的相互作用參數(shù)，采用DPD模擬方法研究了共混物的介觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，DPD模擬得到的介觀形貌結(jié)構(gòu)與MD模擬結(jié)果一致。將通過DPD模擬得到的介觀結(jié)構(gòu)作為宏觀模擬中FEM分析的輸入結(jié)構(gòu)，采