POSS納米雜化材料的分子動力學模擬方法與力學性能研究.pdf

1、POSS有機－無機納米雜化材料是一種新型的納米復合材料，通過物理或化學手段將POSS單體與聚合物主鏈結(jié)合從而提高聚合物的彈性模量、硬度、強度、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度、耐磨性等物理和化學性質(zhì)。但是，POSS對聚合物改性的機理還沒有被廣泛接受的解釋。本文采用分子力學模擬方法、分子動力學模擬方法和細觀力學方法，從不同角度研究了POSS對常見聚合物力學和熱學性能的影響，并從結(jié)構(gòu)和能量兩方面探討了POSS對聚合物性能的增強機理。
　　采用分子力學方

2、法模擬了聚苯乙烯（PS）和POSS雜化聚苯乙烯（POSS-PS）在單軸拉伸實驗中的力學行為，得到了POSS對PS力學性能的增強機理。通過應力－應變曲線計算了兩種聚合物的拉伸模量，結(jié)果表明，POSS-PS的拉伸模量相對于PS得到了大幅提高，彈性極限也有顯著增加。對兩種聚合物在拉伸過程中變形情況的詳細分析顯示，空洞的出現(xiàn)、增長和相連是聚合物破壞的原因，POSS與聚合物結(jié)合一方面起到連接聚合物分子鏈的作用，另一方面有效地阻礙了空洞的生長，從而

3、使聚合物可以承受更大的載荷而達到增強聚合物力學性質(zhì)的效果。隨后對兩種聚合物的納米壓痕實驗進行了分子力學模擬，得到了不同尺寸壓頭作用下PS和POSS-PS的硬度－壓痕深度曲線。采用一個形式簡單的公式描述聚合物硬度與壓痕深度之間的關(guān)系，根據(jù)此公式計算了不同壓頭下兩種材料的極限硬度，考察了壓頭的尺寸效應。結(jié)果顯示，計算得到的極限硬度隨著壓頭尺寸的增加而減小，而POSS-PS相對于PS硬度的增強效果呈增加趨勢。
　　結(jié)合最小二乘法和統(tǒng)計熱

4、力學理論提出了一種新的計算彈性常數(shù)的應力－應變漲落方法，并給出了一個簡單的公式，該公式相對于已有的公式具有更好的通用性和結(jié)構(gòu)不變性，通過該公式計算得到的剛度矩陣具有更好的對稱性。在不同溫度下，通過對Ar的分子動力學模擬驗證了該公式的收斂速度和計算精度。
　　采用分子動力學方法模擬了聚乙烯（PE）及POSS雜化聚乙烯（POSS-PE）在不同溫度下的熱學及力學性質(zhì)，并分析了POSS對 PE性能產(chǎn)生影響的原因。首先，考察了三種通用分子力

5、場用于聚合物分子動力學模擬的可行性，對PE和POSS-PE的分子動力學模擬表明CVFF分子力場比較適合POSS雜化材料的模擬。隨后對PE以及三種含有不同POSS含量的POSS-PE進行了模擬，通過體積－溫度曲線的斜率轉(zhuǎn)折點得到了四種聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（Tg），對各部分能量的分析表明Tg是由聚合物主鏈的扭轉(zhuǎn)和分子鏈間的相對運動造成的，而POSS的加入對這兩項的影響不大，所以對PE的Tg影響很小。另一方面，采用本文提出的漲落公式計算得到

6、了四種聚合物的彈性常數(shù)，結(jié)果顯示，加入一定量的POSS可以提高聚合物的模量。通過詳細分析哈密頓量各部分對彈性常數(shù)的貢獻，表明POSS的加入主要增強了鍵長能和范德華能對體積模量的貢獻，同時，增強了鍵長能對剪切模量的貢獻，卻削弱了庫倫能對剪切模量的貢獻，這些因素的綜合作用，是POSS對聚合物的力學性質(zhì)產(chǎn)生影響的本質(zhì)原因。
　　采用細觀力學方法研究了不同POSS含量對于聚合物模量的影響，得到了POSS雜化材料等效模量的計算方法，擴展了細

7、觀力學的應用。通過三相材料模型，根據(jù)純POSS材料的模量，得到了POSS單體的模量。不同溫度下的結(jié)果說明采用三相材料模型來計算POSS單體的模量是可行的。進而，基于兩相球模型提出了四種聯(lián)合方法，計算結(jié)果顯示對于POSS-PE，聯(lián)合方法與細觀力學方法的結(jié)果差別不大。然后，推導了自洽 MT方法作為細觀力學均勻化方法的補充，并且通過分析微分方法的可逆性得到了一個新公式。最后結(jié)合該公式、自洽MT方法和自洽方法的形式，提出了計算兩相材料等效模量的