活性聚合物热力学行为的分子动力学研究

摘要

智能材料能够感知外部刺激，并作出准确判断，继而执行相应响应，因此被看作是现代高技术新材料发展的重要方向之一。而活性聚合物作为智能材料的重要组成部分，现在也成为科研工作者的研究热点。从微观角度了解材料的物理特性和力学行为，对活性聚合物的设计和应用是至关重要的。近年来，分子动力学方法成为理论研究和实验研究的有力补充，也成为在分子尺度上通过材料内部构型的演化来探究材料性质和变形机制的重要工具。本文选择了两种目前被广泛研究的活性聚合物——形状记忆聚合物和共价键自适应网络聚合物进行研究。这两种材料虽然在理论和实验层面都已被广泛探讨，但对其微观变形机理的认识还十分有限。本文利用已经发展成熟的分子动力学方法从分子尺度对其物理特征和力学行为进行了探究和讨论，并与相应的理论结果进行了比较。主要研究工作及取得的进展如下:
　　1.建立了三种不同环氧树脂/固化剂组分的形状记忆聚合物试样，利用分子动力学方法计算了其力学性质和形状记忆特性。得到了三种试样的玻璃化转变温度和不同温度下的应力应变曲线，模拟结果与实验结果进行了比较。另外，通过模拟热力学循环过程，三种试样在低温和高温时分别表现出了很好的形状固定和形状回复效应。并且，模拟结果发现环氧树脂和固化剂的比例对形状回复时间有很大影响。
　　2.利用分子动力学方法模拟了共价键自适应网络聚合物中的键交换反应。提出了一套模拟键交换反应算法，并可以应用于模拟DGEBA和三羧酸的交联过程。追踪了活性原子的运动路径和在交联网络中的演化过程。而且计算了一些交联网络在键交换反应过程中的性质，例如:相邻交联点间的距离、分子链角和弹性模量，给出了体系在演化过程中结构微观细节的变化。本文模拟得到了体系在键交换反应过程中的应力释放特性，结果表明:一些交联网络的性质，例如相邻交联点间的距离、分子链角会在键交换反应导致的应力释放过程中回到变形前的各向同性状态。最后，将扩散系数的模拟结果与理论结果进行了比较，二者具有很好的一致性。
　　3.利用分子动力学方法模拟了键交换反应导致的共价键自适应网络聚合物的界面粘合行为。首先建立了两个交联网络的模型，使其相互接触，然后启动键交换反应。追踪了活性原子的运动轨迹，观察到了活性原子是如何穿过界面并与另一个交联网络进行粘合的。通过较长时间的粘合，两个交联网络的界面形成了足够的化学键，这时，粘合后的材料与原材料具有相同的弹性模量和屈服应力。根据模拟结果，本文分析了不同粘合条件，例如:粘合温度、材料的聚合度和交联密度的不同对粘合时间的影响。最后，本文将活性原子的渗透深度与现有理论进行了比较，二者具有很好的一致性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 形状记忆聚合物(Shape memory polymers，SMPs)

1．1．1 形状记忆效应的原理

1．1．2 形状记忆聚合物的应用

1．2 基于键交换反应的共价键自适应网络(Covalent adaptable networks，CANs)聚合物

1．2．1 CANs材料中的键交换反应

1．2．2 CANs材料的应用

1．3 本文研究目的和主要内容

2 分子动力学方法与原理

2．1 基本原理

2．2 积分算法

2．3 力场

2．3 初始条件和边界条件

2．3．1 初始条件

2．3．2 周期性边界条件

2．3．3 非周期性边界条件

2．4 系综及系综调节

2．4．1 系综

2．4．2 系综调节

3 形状记忆聚合物变形机理及形状记忆特性的分子动力学模拟

3．1 引言

3．2 模拟方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 玻璃化转变温度的分子动力学模拟

3．3．2 单轴拉伸的分子动力学模拟

3．3．3 形状冻结和恢复效应

3．4 本章小结

4 共价键自适应网络聚合物中键交换反应的分子动力学模拟

4．1 引言

4．2 模拟方法

4．2．1 体系的交联过程

4．2．2 BER反应过程

4．3 结果与分析

4．3．1 交联体系

4．3．2 交联网络体系的演化

4．3．3 应力释放和形状重组

4．4 讨论

4．5 本章小结

5 基于键交换反应的热固型聚合物界面粘合行为的分子动力学模拟

5．1 引言

5．2 模拟方法

5．3 模拟结果

5．3．1 体系的应力释放行为

5．3．2 粘合过程中活性原子穿过界面的运动轨迹

5．3．3 穿过界面的化学键

5．3．4 粘合过程中的体系力学性能

5．3．5 聚合度的影响

5．3．5 交联密度的影响

5．3．6 温度的影响

5．4 讨论

5．4．1 两个交联网络的初始间距

5．4．2 粘合过程中活性原子的渗透深度

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论与创新点

6．2 进一步的工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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