碳纳米管/聚乙烯复合材料界面基体的取向研究

论文摘要

工程实际中经常采用使高分子材料的分子链沿某个方向取向的方法来获得较高的机械性质,例如某些高性能纤维的制备。碳纳米管／高分子复合材料是目前材料领域的研究热点。如果可以让碳纳米管和高分子基体材料沿某个方向同时取向,复合材料的力学性能将有显著提高。当假定碳纳米管已经具有非常好的取向时,研究复合材料中基体分子的取向将具有重要工程意义。实验中难于观察和精确测定高分子材料的取向,采用数值模拟的方法是研究高分子材料取向问题的较好选择。本文以碳纳米管／不定型聚乙烯复合材料为研究对象,在温度场、力场下进行分子动力学模拟,并用Fortran编制了处理表征不定型聚乙烯分子形貌的径向分布函数和取向分布函数的后处理程序,分析了不同温度场、力场下复合材料的力学性能及聚乙烯分子的径向分布和取向分布函数的变化规律。计算结果表明：温度从600K逐渐降低到50K的过程中,不定型聚乙烯分子在碳纳米管周围都形成了两个吸附层,第一吸附层分子的径向分布参数和取向分布参数都随着温度的降低而升高,分别提高了140%和118%,碳纳米管／不定型聚乙烯复合材料的弹性模量提高了25.82%。改变复合材料模型中碳纳米管的手性和直径,通过材料拉伸过程的数值模拟,对比分析了这些因素对复合材料力学性能和基体分子整体取向参数的影响。同时分析了卸载过程中基体分子整体取向参数的变化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 纳米材料研究进展
• 1.2.1 分子动力学的发展
• 1.2.2 LAMMPS软件简介
• 1.2.3 国内外纳米材料的发展
• 2 分子动力学概述
• 2.1 分子动力学的基本原理
• 2.2 分子运动方程的数值求解方法
• 2.3 势函数
• 2.3.1 对势
• 2.3.2 多体势
• 2.4 分子动力学模拟的初始条件
• 2.5 分子动力学模拟的系综
• 2.5.1 系综的分类
• 2.6 系综的控制方法
• 2.6.1 调温技术
• 2.6.2 调压技术
• 2.7 边界条件
• 2.8 感兴趣量的提取
• 3 温度场下的界面构型分析
• 3.1 碳纳米管/不定型聚乙烯模型
• 3.1.1 建模方法
• 3.1.2 分子模型及力场选择
• 3.2 温度场下径向分布分析
• 3.3 温度场下的取向分析
• 3.4 本章小结
• 4 力场下碳纳米管/不定型聚乙烯的性能分析
• 4.1 温度对复合材料结构与力学性能的影响
• 4.1.1 不同温度时复合材料的力学性能分析
• 4.1.2 不同温度时复合材料基体的整体取向参数分析
• 4.1.3 碳纳米管/不定型聚乙烯整体结构与力学性能的关系
• 4.2 不同手性碳纳米管复合材料结构与力学性能的关系
• 4.2.1 不同手性碳纳米管复合材料的模型构建
• 4.2.2 不同手性碳纳米管对复合材料结构与力学性能的影响分析
• 4.3 不同直径碳纳米管复合材料结构与力学性能的关系
• 4.3.1 不同直径碳纳米管复合材料的模型构建
• 4.3.2 不同直径碳纳米管对复合材料结构与力学性能的影响分析
• 4.4 卸载过程中的复合材料结构变化分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢