橡胶材料拉伸性能的分子动力学模拟研究

摘要

自计算机问世以来，随着计算技术的飞速发展以及计算机性能的不断提高，使得分子动力学模拟技术得以广泛应用，人们已经可以利用在传统实验中获得的材料的数据通过计算机模拟技术对其物理化学性质进行研究。到现在为止，对于橡胶材料力学性能的实验研究已经做了大量工作，取得了很多成果。但是，对于橡胶材料组成结构的微观分析研究仍然很少，在橡胶材料的微观结构与宏观力学性能关系上的研究，目前还缺乏根本的定量化分析和深入的理论研究。本文采用数值模拟的方法从微观角度研究了橡胶的拉伸行为，从原子尺度对结果进行定量分析，探讨影响橡胶材料物理机械性能的的微观因素，为以后的橡胶材料研究工作做一定的指导。 本文研究的对象是天然橡胶、顺丁橡胶以及杜仲胶这几种常见橡胶材料，采用分子动力学方法构建它们的微观理想模型。重点研究的内容如下： 1.最小聚合度研究。通过不同分子链聚合度条件下溶度参数分析，确定了确定了模拟可以采用的可靠的天然橡胶分子聚合度。结果表明，当聚合度增加到20后，溶度参数值不在发生过大波动，稳定在16.6~16.9（J/cm3）1/2之间，该数值与实验值一致。径向分布函数结果表明，搭建的模型达到完全不定形无序结构，反应了模型性能的均匀性。 2.聚合度对天然橡胶拉伸行为影响研究。采用20、50、100、200四种分子链聚合度构建了天然橡胶理想模型，通过应力应变曲线、均方位移（MSD）、均方回转半径（Rg2），以及范德华非键结势能、键伸缩势能、键角弯曲势能和二面角扭转势能表征分析，对橡胶拉伸行为进行研究。结果表明，在本文范围内，随着聚合度增加，天然橡胶在拉伸过程中的应力响应更大；对不同势能的能量分析表明，范德华非键结势能、键角弯曲势能和二面角扭转势能对天然橡胶的力学性能起主要贡献，聚合度对拉伸过程中非键结势能、键伸缩势能和二面角扭转势能的变化均有一定影响，而对键角弯曲势能变化没有影响；在拉伸过程模拟中，随着聚合度增加，MSD和Rg2变化越来越大，这是由于分子链的长度增加使其柔顺性增加，分子链间更加容易产生缠结等相互约束而导致。 3.不同胶种拉伸行为研究。在前述研究基础上，选用相同拉伸模型，相同聚合度（100），相同温度和压力条件，对天然橡胶、杜仲胶和顺丁橡胶理想模型的微观拉伸行为进行研究。结果表明，顺式-1，4-聚异戊二烯分子模型与反式-1，4-聚异戊二烯分子模型的拉伸性能基本一致，而顺式1,4聚丁二烯分子模型表现出了较前两者更大的应力响应。通过对均方位移的分析得知橡胶材料的拉伸性能与其材料中原子的流动性有很大的关联性。另外，通过对均方回转半径的分析我们得知在柔顺性上三种分子链之间的大小关系为顺式1,4聚丁二烯分子>顺式1，4聚异戊二烯分子>反式1，4聚异戊二烯分子。

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橡胶材料拉伸性能的分子动力学模拟研究

MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION OF TENSILE PROPERTIE

1绪论

1.1橡胶材料科学研究现状

1.2橡胶弹性理论

1.2.1早期的橡胶弹性理论

1.2.2弹性动力学理论

1.2.3交联和硫化：网络理论

1.3分子动力学的发展及研究现状

1.3.1分子动力学的发展

1.3.2分子动力学在高分子材料领域的研究现状

1.4课题研究内容及意义

2 分子动力学方法

2.1分子模拟技术概述

2.2分子动力学运动方程

2.2.1拉格朗日（Lagrange）方程

2.2.2哈密顿（Hamilton）方程

2.3粒子运动方程的数值解法

2.4分子动力学模拟的关键技术

2.4.1边界条件

2.4.2势函数

2.4.3分子力场

2.4.4系综

2.4.5截断距离与电荷基团

2.4.6长程力的计算

2.4.7调温控制

2.4.8能量最小化

2.5分子动力学模拟的基本步骤

3 橡胶拉伸行为分子动力学模型

3.1全原子模型

3.2模型构建与处理

3.3拉伸模型

3.4天然橡胶溶度参数分析

3.5结构径向分布函数分析

3.6本章小结

4不同聚合度的天然橡胶材料拉伸行为分析

4.1.拉伸过程应力-应变分析

4.2拉伸过程中能量变化分析

4.3拉伸过程中结构变化分析

4.4本章小结

5不同橡胶材料的分子动力学拉伸模拟

5.1前言

5.2模型构建

5.3拉伸行为分析

5.3.1拉伸过程应力-应变分析

5.3.2能量变化分析

5.3.3结构变化分析

5.4本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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