PE/POSS纳米杂化材料的变形机理与细/微观力学模型

摘要

基于POSS的有机无机杂化材料是一簇具有特殊性能的新型纳米复合材料。具有无机内核结构的POSS通过杂化反应作用于聚合物之后,通常能使高分子材料的力学性能得到显著的提高。本文通过分子力学模拟方法研究了纯聚乙烯(PE)和掺杂了POSS的聚乙烯(POSS-PE)的变形情况,得到了PE分子链的滑移机制和POSS对PE分子链的强化机制,提出了PE的细观力学滑移模型和POSS强化PE的细观力学模型。此外还研究了纳米压痕中不同形状的压头对PE和POSS-PE力学性能的影响。
　　采用分子力学方法模拟了PE纳米块和POSS-PE纳米块在单轴拉伸下的变形过程及其力学行为,计算得到了PE模型和POSS-PE模型在拉伸过程中的应力应变关系,分析了拉伸过程中PE模型和POSS-PE模型的损伤行为。PE模型和POSS-PE模型在拉伸过程中的各项应力显示,键合、键角和范德华作用是体系的主要作用因素,它们决定了模型的杨氏模量,并且模拟得到的PE杨氏模量值与实验值一致。而POSS的加入,明显增强了PE体系的键合作用,从而提高了杨氏模量。非弹性变形阶段的应力应变曲线表明,PE模型在进入非弹性变形阶段后,由于分子链之间的滑移,拉伸应力曲线出现多次的突降并且总体上基本趋于定值。而加入POSS之后,由于POSS抑制了PE分子链的滑移从而起到强化作用,所以其拉伸应力在塑性变形阶段依然在缓慢上升。
　　采用分子力学方法模拟了规则PE分子链在拉伸载荷下的滑移变形过程,分析了滑移过程中分子链的结构变化,计算了滑移过程中的载荷位移数据。结果表明,分子链在滑移过程中存在临界滑移力,当分子链所受到的滑移力达到临界值时,分子链就会开动滑移。通过分子动力学模拟得到了滑移瞬间分子链的构型变化,结果显示,滑移时分子链的变形不是整个分子链同时滑移,而是以错位的形式从分子链的一端传递到另一端。此外,还对不同长度PE分子链的滑移变形进行了分子力学模拟,结果表明,高分子链(分子链较长)的长度与临界滑移力无关。
　　通过分子力学方法模拟了掺杂POSS的规则PE分子链的滑移情况,考察了滑移过程中分子链的结构变化,计算了滑移过程中的载荷位移数据。结果显示,连接POSS之后,PE分子链的临界滑移力得到了较大的提高,并且POSS的含量越高,分子链的临界滑移力就越大。当分子链所受到的滑移力增加到纯PE分子链的临界滑移力后,错位开始在分子链的一端产生,并传递到POSS附近中止,从而在POSS附近形成了错位的塞积,随着错位的积累,POSS所受到的滑移力逐渐增大,当滑移力增加到临界值时,POSS开始滑移,POSS最近邻的一个错位也继续开动并越过POSS直到分子链的另一端消失。此时,分子链完成了一次完整的滑移变形。这就是POSS对PE分子链滑移的影响机制。当PE分子链连接多个POSS时,错位首先塞积在第一个 POSS的一侧,当错位积累到一定个数使得POSS的滑移力增加到临界值后,错位开始越过第一个POSS并在第二个POSS附近塞积,如此累积,当全部POSS附近的错位个数都累积到各自的极限后,整个分子链也开始完整的滑移。
　　提出了PE分子链的细观力学滑移模型,并通过滑移模型预测了PE纳米块的拉伸本构关系,结果显示,由滑移模型计算得到的PE纳米块的拉伸应力曲线与分子模拟得到的拉伸应力曲线比较接近。在PE滑移模型的基础上，构建了POSS强化PE的细观力学模型,并通过该力学模型预测了不同POSS含量的POSS-PE纳米块的拉伸本构关系,结果显示,力学模型所预测的应力应变曲线与分子模拟得到的应力应变曲线是一致的。
　　采用分子力学方法模拟了纯PE和POSS-PE的纳米压痕过程。分析了压痕过程中出现的载荷突降现象,计算了压痕过程中基体分子链之间发生滑移所消耗的能量,结果表明,POSS的加入抑制了压痕过程中 PE分子链的滑移。纯PE和POSS-PE的硬度和杨氏模量数据表明,加入POSS之后,PE的力学性能得到了较大的提高。通过分子力学模拟研究了纳米压痕中不同形状(直角三棱锥、球形、直立圆柱)的压头对纯PE和POSS-PE的影响,得到了两模型在不同形状压头下的压痕硬度、马氏硬度和杨氏模量数据。结果表明压头的形状对压痕硬度和杨氏模量影响较大,但是对马氏硬度几乎没有影响。

目录

PE/POSS 纳米杂化材料的变形机理与细/微观力学模型

DEFORMATION MECHANISM ANDMESO-MICRO MECHANICAL MODEL OFPE/POSS NANO HYBRID MATERIALS

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 POSS材料简介

1.3 国内外研究现状

1.4 学位论文研究的主要内容

第2章 PE/POSS变形过程的分子力学模拟

2.1 分子力学模拟方法

2.2 PE的单轴拉伸模拟

2.3 POSS杂化PE的单轴拉伸模拟

2.4 本章小结

第3章 PE滑移变形的力学模型与POSS强化PE的力学模型

3.1 聚乙烯分子链的变形模式

3.2 聚乙烯分子链的滑移

3.3 聚乙烯滑移变形的力学模型

3.4 POSS对PE分子链变形的影响

3.5 POSS强化PE的力学模型

3.6 本章小结

第4章 PE/POSS纳米压痕行为的分子力学模拟

4.1 纳米压痕的测量原理

4.2 PE/POSS的纳米压痕模拟

4.3 不同形状压头的纳米压痕模拟

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

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

博士学位论文使用授权书

致谢

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