注射保压过程气体在熔体内扩散行为的分子动力学研究

摘要

空气中的杂质气体包覆于材料熔体内的聚集态结构和其扩散行为将会对成型后制品的力学性能和光学属性产生影响，众多研究者分别从不同的角度去研究这两者之间的联系。随着计算机科学技术与分子模拟技术的快速发展和高度有机结合，本文借助于分子动力学模拟实验，从微观角度着力研究保压阶段聚合物材料中包覆的低分子气体分子在其熔体内部的扩散行为，有助于在深层次的理解成型后制品内部微气孔等缺陷形成的机理，从而为产品最优品质性能实现工艺控制、新工艺开发等提供重要的科学依据和理论指导。
　　本文以光学材料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为实验模拟材料，针对保压阶段的特点，为了构建O2/N2混合气体在PMMA熔体内的扩散映射分子物理模型，将该阶段气体的扩散简化为不同条件下的准静态扩散行为；经过能量最小化和退火处理，实现了结构优化和体系平衡；经模型有效验证后，表明了构建的分子物理模型是成立的；然后在不同的条件下，分别进行NPT和NVT系综的分子动力学模拟实验，得到了能够表征扩散行为的物性参数。模拟实验结果表明：任意条件下，O2/N2低分子混合气体在 PMMA熔体内的扩散均属于Einstein扩散方式，符合Einstein方程。自由体积、自由体积分数和扩散系数均随着聚合度的增大而减小，随着温度的升高而增大，满足自由体积越大，扩散系数越大的自由体积理论；对于压力的影响而言，自由体积和其体积分数是随着压力的增大而减小的，但扩散系数则是在某一压力时，达到最大值。由于氧原子的范德华半径小,与基体的相互作用能低以及需要扩散激活能小，从而在每一种条件下，O2的扩散系数都比N2的大，扩散区域更广，跃迁距离更远，空穴之间的跃迁所耗的时间更短。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 光学材料的发展

1.3 计算机模拟技术的发展

1.4 分子模拟技术研究现状

1.5 课题来源及研究内容

第2章 基本理论

2.1 注射成型过程

2.2 分子动力学模拟

2.3 模拟参数的设定

2.4 物性参数的计算

2.5 本章小结

第3章 聚合度对气体扩散行为影响的分子动力学研究

3.1 模拟体系的构建

3.2 模拟方法及细节

3.3 模型有效性验证

3.4 结果分析与讨论

3.5 本章小结

第4章 外部环境对气体扩散行为影响的分子动力学研究

4.1 模拟体系的构建

4.2 模拟方法及细节

4.3 结果分析与讨论

4.4 本章小结

第5章 全文总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果