弹性体纳米复合材料非线性粘弹性与断裂机理的分子动力学模拟最新进展

摘要

实验上发现弹性体纳米复合材料储能模量会随着动态应变幅度的增大表现出非线性的衰减,对其分子机理尝不完全清楚.同时,体系在变形过程中微裂纹如何引发与扩展在实验上很难观察.本工作采用粗粒度分子动力学模拟,期望对非线性粘弹性行为产生的机理与微裂纹引发与扩展机理进行澄清.通过构建两种特殊的球型颗粒分散体系:(1)纳米颗粒直接接触聚集;(2)纳米颗粒通过吸附分子链聚集,均发现体系模量随着应变增大而非线性衰减,前者非线性行为更明显.进一步分析表明,变形过程中颗粒-颗粒直接接触形成网络结构的破坏与颗粒-分子链形成网络结构的破坏均会导致非线性行为的产生.同时，研究发现具有良好力学可回复性的纳米弹簧能有效降低弹性体复合材料的滞后损失。最后，对纳米杆增强体系，结果表明存在一个最佳增强分数。增强机理来自于杆与分子链沿拉伸方向的高度取向，以及分子链在大变形下的有限链伸长。裂纹引发过程可通过体系能量来准确反映，系统考察了界面物理化学作用、温度、杆长与填充分数、链长与化学交联密度对断裂行为的影响。