自组装体系的橡胶纳米复合材料微观结构宏观力学性能关系的分子动力学模拟研究

摘要

随着新型自组装技术的不断进步，我们对材料微观结构调控的能力不断提高，但针对橡胶纳米复合材料，由于存在多层次多尺度的复杂相互作用，目前实验手段很难清晰表征出微观结构与宏观性能间的关系，导致纳米粒子填充复合材料因自组装而构成的新型微观结构（如层状、海岛状与柱状）对力学性能的影响缺乏深入的理解。随着计算机模拟技术的发展，分子动力学模拟在表征橡胶纳米复合材料微观结构与预测其动静态力学性能方面发挥越来越重要的作用，并为实验研究提供理论指导。
　　基于以上研究背景，本论文主要工作是采用分子动力学模拟方法，围绕自组装体系的橡胶纳米复合材料微观结构-宏观力学性能关系开展了深入系统的研究。主要内容及创新点如下:
　　(1) uniform/patchy填充纳米颗粒对橡胶基复合材料微观形貌以及机械性能的影响。本节我们通过分子动力学模拟，在分子尺度研究了uniform粒子（未改性纳米颗粒）以及patchy粒子（在颗粒表面指定位置上相互吸引或排斥）对材料微观结构以及力学性能的影响。首先我们探究了剪切幅度以及NP-NP间作用力对聚集的影响。有趣的是，当NP间相互作用力较大时，G'在聚集的中间时刻出现了最大值，这主要是因为聚合物-填料间形成网状结构。在动态剪切下，继续探究了不同NP-NP间相互作用力以及纳米颗粒不同填充分数时，G'随剪切幅度的关系图，结果表明在适当剪切幅度下会形成一个由纳米颗粒构成的贯穿系统的网络结构。其次研究了patchy粒子不同自组装结构（线状/片状），首次将具有不同自组装结构的PNCs的力学性能进行了对比。
　　(2)动态剪切下uniform/Janus粒子填充嵌段共聚物复合材料应力应变行为的研究。尽管对于嵌段共聚物复合材料自组装进行了大量的研究，但是关于其有序结构以及所导致的机械性能却尚未探究过。我们采用分子动力学模拟粗粒度模型研究了动态剪切下uniform/Janus粒子填充嵌段共聚物复合材料应力应变行为。首先我们研究了纯嵌段共聚物中组分比以及嵌段排列方式的影响，通过改变组分比，逐渐自组装形成海岛状，柱状穿插以及片层结构，结果显示海岛状的增强效果最明显。然后通过研究填充NP的BCPs，可以发现当两种粒子都位于界面处时，Janus粒子相对于Uniform粒子对分子链取向诱导更强从而具有更好的机械性能。与此同时，也研究了管状以及片状Janus粒子对形貌以及应力-应变的影响。这些发现加深了对于BCPs及其纳米复合物微观形貌-机械性能关系的认识。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题背景

1．3 分子动力学模拟

1．3．1 粗粒度模型

1．3．2 联合原子模型

1．4 嵌段共聚物

1．4．1 嵌段共聚物自组装行为

1．4．2 嵌段共聚物与纳米粒子自组装

1．5 纳米复合材料的粘弹性

1．6 论文的研究目的与内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

1．6．3 论文的创新点

第二章 Uniform／Patchy纳米粒子填充复合材料形貌与性能的研究

2．1 引言

2．2 模型和模拟方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 NP填料填充对玻璃化温度的影响

2．3．2 剪切对于NP聚合过程的影响

2．3．3 NP间相互作用力对于Payne效应影响

2．3．3 NP填充分数对于Payne效应的影响

2．3．4 不同NP自组装形状对于PNC性能影响

2．4 本章小结

第三章 动态剪切下嵌段共聚物复合材料应力应变行为的研究

3．1 引言

3．2 模型和模拟方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 温度以及拉伸速率对BCPs的影响

3．3．2 嵌段分子链形貌对BCPs的影响

3．3．3 嵌段分子链组成对BCPs的影响

3．3．4 Janus填充分数对BCPs的影响

3．3．5 填充粒子种类(Janus／Uniform)对BCPs的影响

3．3．6 Janus粒子位置分布对BCPs的影响

3．3．7 Janus粒子形状对BCPs的影响

3．4 本章小结

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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