聚合物/石墨基纳米复合材料结构的分子动力学模拟研究

论文摘要

复合材料的结构问题在材料学研究和实际应用中占有重要地位,而确定纳米复合材料微观结构和复合单体间的相互作用又是解决这一问题重要而又难于处理的一个环节。传统的实验手段在研究复合材料的复合结构、界面相互作用及其微观机理方面遇到了许多困难,成为了材料学研究工作中的瓶颈,因此迫切需要新的方法来对此类问题进行有效而深入的研究。而伴随着计算机硬件和算法的发展,分子模拟在研究复合材料的复合结构、界面相互作用和揭示微观机理方面显示出了区别于传统实验与理论研究的巨大优势和潜力。本论文应用分子模拟中的分子动力学方法研究了几类聚合物与石墨复合形成的纳米复合材料,成功创建了一系列研究有机-无机复合材料微观结构及复合机理的新方法,实现了分子模拟技术向传统实验技术靠近的初步探索。论文中具体研究了以树状大分子（以氨Amine、丁二胺Butanediamine为核）/石墨纳米复合材料、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/石墨纳米复合材料、聚苯胺（PANI）/石墨纳米复合材料等体系为代表的有机-无机复合材料。在论文中,通过Material Studio软件探索性地使用“层结构模型”来搭建模型研究复合体系的微观结构、能量分布及复合单体间的相互作用机理等。同时论文中还详细论述了模型的搭建过程、构造机理和所涉及的模拟参数的设置和选择,并在每一章结尾对研究结果进行了总结。论文的最后一章还对所研究的三种复合体系中涉及的参数选择、计算方法以及最后结果进行了比较深入地对比和分析,为今后同类课题的进一步研究提供了可供参考的思路。本论文主要选择了三类具有代表性的有机聚合物与石墨形成的纳米复合材料,由于这些聚合物本身的研究目前也是材料学中研究的热点问题,因而对它们的研究具有普遍性和代表性。研究结果表明,应用分子动力学模拟方法研究有机-无机纳米复合材料体系,可以成功构建复合材料的计算模型,并能够从能量及其相互作用等性质方面得到复合材料微观作用的机理,这种方法丰富和发展了纳米复合材料的研究技术,拓展了分子模拟技术的应用领域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 石墨的基本性质及其研究历史
• 1.1.3 聚合物/石墨基纳米复合材料研究现状
• 1.2 分子模拟概述
• 1.2.1 分子模拟
• 1.2.2 分子模拟的基本方法
• 1.3 分子模拟软件介绍
• 1.3.1 分子模拟软件概述
• 1.3.2 Materials Studio（MS）软件简介
• 1.4 分子模拟在材料研究中的应用概述
• 1.5 本课题的研究内容、目的及意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究目的及意义
• 参考文献
• 第二章 模型的建造及相关计算理论与参数
• 2.1 引言
• 2.2 模拟模型的构造
• 2.2.1 层结构模型
• 2.3 分子模拟基本参数介绍及相关设定
• 2.3.1 力场的基本参数及选择
• 2.3.2 系综选择
• 2.3.3 温度控制方法
• 2.3.4 加和/截断方式
• 2.3.5 电荷赋值方法
• 参考文献
• 第三章 树状大分子/石墨复合材料的分子动力学模拟
• 3.1 前言
• 3.2 计算方法
• 3.2.1 模型构建
• 3.2.2 MD模拟
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 石墨/树状大分子复合材料的微观构形分析
• 3.3.2 能量分析
• 3.3.3 径向分布函数分析
• 3.3.4 氨、丁二胺树状大分子的作用分析
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 PMMA/石墨纳米复合材料的分子动力学模拟
• 4.1 前言
• 4.2 PMMA/石墨纳米微片复合材料的模拟
• 4.2.1 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）模型
• 4.2.2 石墨纳米微片（NanoG）模型
• 4.2.3 PMMA/NanoG复合体系的模型
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 PMMA/NanoG复合体系的微观结构
• 4.3.2 PMMA/NanoG复合体系中的相互作用
• 4.3.3 密度分析
• 4.3.4 径向分布函数分析
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 聚苯胺/石墨纳米复合材料的分子动力学模拟
• 5.1 前言
• 5.2 聚苯胺/石墨纳米复合材料的模拟
• 5.2.1 模拟方法
• 5.2.2 聚苯胺模型
• 5.2.3 石墨模型
• 5.2.4 聚苯胺/石墨模型
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 构象与能量
• 5.3.2 密度分析
• 5.3.3 径向分布函数分析
• 5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 聚合物/石墨基纳米复合材料分子动力学模拟过程及结果比较分析
• 6.1 前言
• 6.2 模拟方法和模型建造分析
• 6.2.1 模拟方法
• 6.2.2 模型建造
• 6.3 模拟结果的比较与分析
• 6.3.1 模拟结果的同异性比较
• 6.3.2 模拟结果同异性原因分析
• 6.4 分子模拟在有机/无机纳米复合材料研究中的特点及展望
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 致谢并后序