PE-POSS納米雜化材料的變形機(jī)理與細(xì)-微觀力學(xué)模型.pdf

1、基于POSS的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料是一簇具有特殊性能的新型納米復(fù)合材料。具有無(wú)機(jī)內(nèi)核結(jié)構(gòu)的POSS通過(guò)雜化反應(yīng)作用于聚合物之后,通常能使高分子材料的力學(xué)性能得到顯著的提高。本文通過(guò)分子力學(xué)模擬方法研究了純聚乙烯(PE)和摻雜了POSS的聚乙烯(POSS-PE)的變形情況,得到了PE分子鏈的滑移機(jī)制和POSS對(duì)PE分子鏈的強(qiáng)化機(jī)制,提出了PE的細(xì)觀力學(xué)滑移模型和POSS強(qiáng)化PE的細(xì)觀力學(xué)模型。此外還研究了納米壓痕中不同形狀的壓頭對(duì)PE和POS

2、S-PE力學(xué)性能的影響。
　　采用分子力學(xué)方法模擬了PE納米塊和POSS-PE納米塊在單軸拉伸下的變形過(guò)程及其力學(xué)行為,計(jì)算得到了PE模型和POSS-PE模型在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,分析了拉伸過(guò)程中PE模型和POSS-PE模型的損傷行為。PE模型和POSS-PE模型在拉伸過(guò)程中的各項(xiàng)應(yīng)力顯示,鍵合、鍵角和范德華作用是體系的主要作用因素,它們決定了模型的楊氏模量,并且模擬得到的PE楊氏模量值與實(shí)驗(yàn)值一致。而POSS的加入,明顯增

3、強(qiáng)了PE體系的鍵合作用,從而提高了楊氏模量。非彈性變形階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線表明,PE模型在進(jìn)入非彈性變形階段后,由于分子鏈之間的滑移,拉伸應(yīng)力曲線出現(xiàn)多次的突降并且總體上基本趨于定值。而加入POSS之后,由于POSS抑制了PE分子鏈的滑移從而起到強(qiáng)化作用,所以其拉伸應(yīng)力在塑性變形階段依然在緩慢上升。
　　采用分子力學(xué)方法模擬了規(guī)則PE分子鏈在拉伸載荷下的滑移變形過(guò)程,分析了滑移過(guò)程中分子鏈的結(jié)構(gòu)變化,計(jì)算了滑移過(guò)程中的載荷位移數(shù)據(jù)。

4、結(jié)果表明,分子鏈在滑移過(guò)程中存在臨界滑移力,當(dāng)分子鏈所受到的滑移力達(dá)到臨界值時(shí),分子鏈就會(huì)開動(dòng)滑移。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬得到了滑移瞬間分子鏈的構(gòu)型變化,結(jié)果顯示,滑移時(shí)分子鏈的變形不是整個(gè)分子鏈同時(shí)滑移,而是以錯(cuò)位的形式從分子鏈的一端傳遞到另一端。此外,還對(duì)不同長(zhǎng)度PE分子鏈的滑移變形進(jìn)行了分子力學(xué)模擬,結(jié)果表明,高分子鏈(分子鏈較長(zhǎng))的長(zhǎng)度與臨界滑移力無(wú)關(guān)。
　　通過(guò)分子力學(xué)方法模擬了摻雜POSS的規(guī)則PE分子鏈的滑移情況,考察了

5、滑移過(guò)程中分子鏈的結(jié)構(gòu)變化,計(jì)算了滑移過(guò)程中的載荷位移數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示,連接POSS之后,PE分子鏈的臨界滑移力得到了較大的提高,并且POSS的含量越高,分子鏈的臨界滑移力就越大。當(dāng)分子鏈所受到的滑移力增加到純PE分子鏈的臨界滑移力后,錯(cuò)位開始在分子鏈的一端產(chǎn)生,并傳遞到POSS附近中止,從而在POSS附近形成了錯(cuò)位的塞積,隨著錯(cuò)位的積累,POSS所受到的滑移力逐漸增大,當(dāng)滑移力增加到臨界值時(shí),POSS開始滑移,POSS最近鄰的一個(gè)錯(cuò)位也

6、繼續(xù)開動(dòng)并越過(guò)POSS直到分子鏈的另一端消失。此時(shí),分子鏈完成了一次完整的滑移變形。這就是POSS對(duì)PE分子鏈滑移的影響機(jī)制。當(dāng)PE分子鏈連接多個(gè)POSS時(shí),錯(cuò)位首先塞積在第一個(gè) POSS的一側(cè),當(dāng)錯(cuò)位積累到一定個(gè)數(shù)使得POSS的滑移力增加到臨界值后,錯(cuò)位開始越過(guò)第一個(gè)POSS并在第二個(gè)POSS附近塞積,如此累積,當(dāng)全部POSS附近的錯(cuò)位個(gè)數(shù)都累積到各自的極限后,整個(gè)分子鏈也開始完整的滑移。
　　提出了PE分子鏈的細(xì)觀力學(xué)滑移模型

7、,并通過(guò)滑移模型預(yù)測(cè)了PE納米塊的拉伸本構(gòu)關(guān)系,結(jié)果顯示,由滑移模型計(jì)算得到的PE納米塊的拉伸應(yīng)力曲線與分子模擬得到的拉伸應(yīng)力曲線比較接近。在PE滑移模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了POSS強(qiáng)化PE的細(xì)觀力學(xué)模型,并通過(guò)該力學(xué)模型預(yù)測(cè)了不同POSS含量的POSS-PE納米塊的拉伸本構(gòu)關(guān)系,結(jié)果顯示,力學(xué)模型所預(yù)測(cè)的應(yīng)力應(yīng)變曲線與分子模擬得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線是一致的。
　　采用分子力學(xué)方法模擬了純PE和POSS-PE的納米壓痕過(guò)程。分析了壓痕過(guò)程

8、中出現(xiàn)的載荷突降現(xiàn)象,計(jì)算了壓痕過(guò)程中基體分子鏈之間發(fā)生滑移所消耗的能量,結(jié)果表明,POSS的加入抑制了壓痕過(guò)程中 PE分子鏈的滑移。純PE和POSS-PE的硬度和楊氏模量數(shù)據(jù)表明,加入POSS之后,PE的力學(xué)性能得到了較大的提高。通過(guò)分子力學(xué)模擬研究了納米壓痕中不同形狀(直角三棱錐、球形、直立圓柱)的壓頭對(duì)純PE和POSS-PE的影響,得到了兩模型在不同形狀壓頭下的壓痕硬度、馬氏硬度和楊氏模量數(shù)據(jù)。結(jié)果表明壓頭的形狀對(duì)壓痕硬度和楊氏模