張俐楠

摘 要：近年來，計(jì)算材料科學(xué)發(fā)展突飛猛進(jìn)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，進(jìn)行新材料的設(shè)計(jì)也成為探索復(fù)合材料的主要方式。在本文中，提出利用納米二氧化硅作為PMMA基體的增強(qiáng)體，從而克服PMMA力學(xué)性能不良的缺點(diǎn);對(duì)納米二氧化硅粒子進(jìn)行表面改性，增強(qiáng)與PMMA基體的相容性，增大分子間作用力，進(jìn)一步提高力學(xué)性能。本文主要使用分子動(dòng)力學(xué)模擬的研究方法，對(duì)純PMMA、PMMA/SiO2復(fù)合材料和PMMA/改性SiO2復(fù)合材料體系進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬和力學(xué)模擬。

關(guān)鍵詞：納米粒子;復(fù)合材料;改性

1 緒論

納米復(fù)合材料包含基體和增強(qiáng)體兩部分，在增強(qiáng)體材料的選擇上，至少要求其在三維結(jié)構(gòu)中的某一維處于微納米量級(jí)上[1]。按照增強(qiáng)體的維數(shù)來劃分，可分為零維、一維、二維和分?jǐn)?shù)維;按照增強(qiáng)體的三維結(jié)構(gòu)來劃分，可分為納米粒子、納米團(tuán)簇、納米纖維、納米管和納米層等。不同的應(yīng)用場景對(duì)納米粒子增強(qiáng)體的選用也有區(qū)別，根據(jù)與基體材料的結(jié)合方式、結(jié)合程度、分子間作用機(jī)理的不同，形成的復(fù)合材料性能也不相同。對(duì)于復(fù)合材料力學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)理的研究，需要從不同尺度上進(jìn)行研究，解決從分子尺度—微觀尺度—宏觀尺度之間機(jī)理的信息可傳遞性[2]，才能全面了解納米復(fù)合材料的力學(xué)增強(qiáng)機(jī)理以及分子動(dòng)力學(xué)模擬研究的適用性。近些年來，粒子憑借著小粒徑、大比表面積、高穩(wěn)定性和良好的相容性等特點(diǎn)備受研究人員關(guān)注。復(fù)合材料基體和增強(qiáng)體之間的復(fù)雜相互作用，讓復(fù)合材料有著更好的性能與穩(wěn)定性。經(jīng)過不斷地研究探索，該領(lǐng)域的學(xué)者研制出多種性能良好且應(yīng)用廣泛的復(fù)合材料[3，4]。

嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件一般需要耗費(fèi)巨大的科研成本和研究周期，僅僅通過實(shí)驗(yàn)手段已經(jīng)不能滿足目前的測試需求。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提升，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)新材料的制備、測試模擬已經(jīng)成為必不可少的手段。在計(jì)算機(jī)模擬測試過程中，通過控制各個(gè)變量可以較好的模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)材料的性能進(jìn)行有效預(yù)測。因此，分子動(dòng)力學(xué)模擬也成為了模擬聚合物復(fù)合材料的一個(gè)重要手段。

2 建模

Yang等[5]使用分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)SiO2/聚酰亞胺復(fù)合材料進(jìn)行接枝改性處理，經(jīng)過接枝改性處理后的復(fù)合材料性能有大幅提升。研究表明，納米粒子表面經(jīng)接枝處理后，接枝基團(tuán)與聚合物的大分子鏈相互纏結(jié)，提高了改性納米粒子與聚合物基體的相容性，進(jìn)一步增強(qiáng)了基體與增強(qiáng)體之間的相互作用，從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。但是，在Tinashe[6]的研究中，使用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法建立了聚苯乙烯和納米粒子的復(fù)合材料體系。結(jié)果表明，經(jīng)過接枝改性處理后的復(fù)合材料，隨著接枝率的上升，聚苯乙烯分子鏈的滲透性變差，最終復(fù)合材料的力學(xué)性能增強(qiáng)效果并沒有達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié)果與討論

納米SiO2粒子模型建立完成之后，將納米粒子和PMMA分子鏈按照一定比例復(fù)制到一個(gè)晶胞內(nèi)。待納米粒子擴(kuò)散模型建立完成之后，防止后續(xù)計(jì)算出現(xiàn)能量異常，需要進(jìn)行幾何優(yōu)化，讓體系能量處于最低狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明，隨著二氧化硅粒徑上升，擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，主要原因有兩點(diǎn)：隨著納米粒子粒徑的正大，PMMA分子鏈對(duì)粒子的熱運(yùn)動(dòng)阻礙效果增強(qiáng)，導(dǎo)致粒子發(fā)生熱擴(kuò)散更加困難;根據(jù)阿倫尼烏斯對(duì)熱擴(kuò)散的解釋，粒子直徑越大，發(fā)生擴(kuò)散所需的能量越高，這個(gè)能量也叫擴(kuò)散激活能。所以，在相同的溫度條件下，粒子直徑越大，擴(kuò)散系數(shù)越小。

隨著溫度上升，相同粒徑的納米粒子擴(kuò)散系數(shù)逐漸變大，主要原因如下：隨著溫度的上升，納米粒子與PMMA的熱運(yùn)動(dòng)更加頻繁，晶胞內(nèi)部的真空區(qū)更加容易被填充，粒子發(fā)生擴(kuò)散也隨之更容易，導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)變大;根據(jù)阿倫尼烏斯理論，溫度越高，提供給體系的能量越高，納米粒子更容易突破發(fā)生擴(kuò)散所需要的能量勢(shì)壘，所以導(dǎo)致粒子擴(kuò)散系數(shù)變大。

參考文獻(xiàn)：

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