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文檔簡介
1、POSS有機-無機納米雜化材料是一種新型的納米復(fù)合材料,通過物理或化學(xué)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(xué)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(xué)模擬方法、分子動力學(xué)模擬方法和細觀力學(xué)方法,從不同角度研究了POSS對常見聚合物力學(xué)和熱學(xué)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(xué)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(xué)行為,得到了POSS對PS力學(xué)性能的增強機理。通過應(yīng)力-應(yīng)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(xué)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(xué)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(yīng)。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(xué)理論提出了一種新的計算彈性常數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)及力學(xué)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(xué)模擬的可行性,對PE和POSS-PE的分子動力學(xué)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(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響的本質(zhì)原因。
采用細觀力學(xué)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(xué)的應(yīng)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(xué)方法的結(jié)果差別不大。然后,推導(dǎo)了自洽 MT方法作為細觀力學(xué)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
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