Su-8胶及其复合材料力学和阻尼特性的分子动力学模拟

摘要

近年来，聚合物材料的研究成为了当前国内外学者的研究重点，许多研究者致力于开发新的材料配方、改进已有材料，希望能够合成天然的、具有优异特性的仿生材料。因此，本文基于SU-8光刻胶在MEMS领域的广泛应用，运用分子动力学的研究方法，针对SU-8胶及复合材料的力学、热力学及阻尼性能等进行研究。不仅能够实现材料宏观性质的预测，还有助于从微观上认识和解析出材料宏观现象产生的机理。
　　首先，本文结合分子力学和分子动力学的基本理论，分析了适合聚合物材料研究的分子动力学的力场、系综、边界等条件，提出了基于COMPASS分子力场，经过分子聚合、能量最小化和退火模拟等构建非交联和交联的SU-8光刻胶模型的方法。计算得到了SU-8胶在室温条件下的杨氏模量、泊松比等力学性能参数，并将模拟结果与实验结果对比证明了建立材料模型方法的可行性以及分子动力学算法的有效性。
　　其次，建立SU-8胶和不同类型碳纳米管共混的复合材料模型，利用分子动力学的方法研究不同类型的碳纳米管对材料力学性能的影响，结果表明:碳纳米管可以极大的提高材料力学性能:随着碳纳米管管径增加复合材料杨氏模量逐渐减小;同时证明了相对于单壁碳纳米管而言，双壁碳纳米管更能显著改善材料力学性能。
　　再次，利用分子动力学模拟研究了SU-8胶的玻璃化转变行为及其主要的影响因素，预测得到了非交联和交联SU-8胶的玻璃化转变温度分别为326.7K和494.8K。着重讨论了力场能量项对玻璃化转变温度的影响，得到非键能的改变是影响玻璃化转变的主要因素，有助于深入理解玻璃化转变过程的本质和研究材料阻尼性能的微观机理。同时，利用动态机械分析(DMA)实验测试得到了不同工艺参数的SU-8胶玻璃化转变温度。
　　最后，计算了SU-8胶及复合材料的氢键、径向分布函数、自由体积分数和结合能等相关参数。通过计算复合材料界面结合能来得到碳纳米管和SU-8胶的结合强度;通过计算SU-8胶的氢键和径向分布函数，可知分子内和分子间的相互作用方式;通过复合材料自由体积的计算，结合自由体积的变化对玻璃化转变的影响，讨论了自由体积和氢键等参数对于材料阻尼性能的影响，为聚合物基阻尼复合材料的设计提供参考。

目录

论文说明

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 力学性能

1．2．2 玻璃化转变

1．2．3 阻尼性能

1．3 主要研究内容及章节安排

2 分子动力学理论及模型建立

2．1 分子动力学相关理论

2．1．1 基本原理

2．1．2 力场方法

2．1．3 系综选择

2．1．4 边界条件

2．2 模拟计算平台简介

2．3 SU-8光刻胶建模

2．4 本章小结

3 SU-8胶及其复合材料力学性能的分子动力学模拟

3．1 模型的交联和优化

3．2 动力学模拟

3．3 计算与分析

3．4 共混复合材料力学性能的研究

3．4．1 共混复合材料的建模

3．4．2 碳纳米管对SU-8胶力学性能的影响

3．5 本章小结

4 SU-8胶玻璃化转变的模拟与实验研究

4．1 SU-8胶玻璃化转变的计算

4．2 影响玻璃化转变因素的分析

4．3 玻璃化转变过程的DMA测试

4．4 本章小结

5 SU-8胶及其复合材料界面结合及阻尼特性的微观机理研究

5．1 共混复合材料界面结合

5．2 氢键的计算与分析

5．2．1 氢键的计算

5．2．2 径向分布函数

5．2．3 共混体系的氢键计算与分析

5．3 自由体积的计算与分析

5．3．1 玻璃化转变的自由体积

5．3．2 计算结果与分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢