高分子材料纳米压痕表征的分子模拟与实验研究

摘要

纳米压痕法已成为表征各类高分子薄膜及其涂层的硬度和模量的主要方法，然而这种方法的使用却伴随着一种尺度效应——硬度和弹性模量值会随着最大压痕深度的减小而增加。尺度效应是材料的一种固有属性，我们的所有研究旨在找到一个能准确描述这种固有属性的硬度模型。然而，现有的硬度模型都是在实验的基础上得到的，而来自实验方面的因素也会引起尺度效应，所以现有的模型并不能真正反映作为固有属性存在的尺度效应规律。本文的主要研究内容在于利用分子模拟消除来自实验方面的影响，从而提供了一种建立纳米压痕硬度模型的方法。我们选择了PE和PVAC两种材料进行模拟。最后选择环氧树脂和一种掺杂了少量Au纳米粒子的PVAC进行纳米压痕实验研究。
　　本文首先介绍了分子力学模拟和分子动力学模拟的基本原理，并详细给出了应用于PE和PVAC模拟的PCFF力场函数式和参数，其对于详细地理解PCFF力场具有很好的参考价值。采用分子动力学方法计算了PE和PVAC的基本弹性常数，提供了具有指导意义的聚合物建模方法和模拟技术。
　　采用分子力学方法模拟了PE和PVAC的纳米压痕表征。详细分析了他们的变形机制。在加载过程中，基体首先出现弹性变形，当载荷达到一个峰值后，基体出现分子链的滑移和不可逆旋转(塑性变形)，载荷随即突降；接着在载荷突降点至下一个载荷峰值这个过程中，基体又出现弹性变形；到达第二个载荷峰值后，基体再次塑性变形，如此交替，直至加载结束。这个清晰的过程更好的解释了载荷-位移曲线的锯齿状。
　　本文给出了在分子力学模拟中计算圆台压头下高分子材料的硬度的一种方法，并用这种方法建立了一个能够描述尺度效应的硬度模型。由于纳米压痕的分子力学模拟完全消除了实验中的各种影响因素，所以这个硬度模型能真正反映作为固有属性存在的尺度效应规律。本文最后对环氧树脂和一种PVAC复合材料进行了纳米压痕实验研究，利用模拟中给出的建立硬度模型的方法，我们建立了一个能够很好描述实验数据的硬度模型。
　　本文提供的分子建模方法对于其他分子建模具有很好的借鉴意义，给出的硬度计算方法对于在分子模拟中计算其他材料的硬度具有很好的指导意义，建立的硬度模型对于理解和描述作为材料固有属性存在的尺寸效应具有理论和实际价值。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的背景和意义

1.2 纳米压痕原理及尺度效应介绍

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 分子模拟的基本原理

2.1 分子力学模拟的原理及方法

2.2 分子动力学模拟的原理及方法

2.3 PCFF分子力场

2.4 分子动力学模拟模型

2.5 模拟过程及结果

2.6 本章小结

第3章 PE及PVAC纳米压痕的分子力学模拟

3.1模拟模型

3.2 模拟过程及结果

3.3 硬度计算

3.4 硬度尺度效应分析

3.5 本章小结

第4章 环氧树脂及PVAC纳米压痕的实验研究

4.1 纳米压痕仪原理

4.2 实验方案及结果

4.3 硬度尺度效应分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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