弹性体纳米复合材料力学增强与界面自修复性能的分子动力学模拟研究
现代科技飞速发展，弹性体材料作为一种重要战略材料受到了广泛的关注与研究。弹性体纳米复合材料（elastomernanocomposites）因纳米颗粒（nanoparticle，NP）的引入，使弹性体材料在原有性能基础上获得了更优异的性能。因此，如何设计与制备高性能弹性体纳米复合材料，是材料科学领域前沿研究方向，也是一直亟待解决的核心关键科学问题。基于此，深刻理解材料微观结构与宏观性能间的构效关系，从微观尺度出发设计并调控材料宏观性能至关重要。由于弹性体纳米复合材料的复杂结构，传统实验表征方法难以窥探材料背后微观层面的内在机理。利用计算机模拟技术，实现原位精准追踪材料内部结构演化，建立微观结构与宏观性能之间的纽带。本文采用分子动力学（MD）模拟方法，从分子尺度上对弹性体纳米复合材料的静态力学性能及界面自修复性能展开了系统研究，主要结果如下： （1）通过分子动力学模拟手段，设计并构建了一种以纳米颗粒为交联点的新型双分子量分布的聚合物末端交联网络的粗粒度模型，系统探究不同分子量（长聚合物链链长），链刚柔性和温度对球状纳米颗粒的精细分布以及对应三维网络力学性能的影响。研究结果表明随长聚合物链长度的增加，短链和长链的刚性以及温度的增加，交联网络实现了更均匀的纳米颗粒空间分布。纳米颗粒的平均粒子间距与长链和短链的均方根末端距算术平均值间呈线性变化关系。通过单轴拉伸实验得到体系应力-应变曲线和键取向结果。结果表明，短链的引入使原有长链网络力学性能得到显著改善。键取向行为表明短链更易被取向，在拉伸过程中承担更多的应力，长链具有更好的延展性。此外，通过调控分子链刚柔性和体系温度也可以获得增强的力学性能。在升温过程中双分布交联网络显示出明显增强的应力-应变行为，这与传统物理共混的聚合物纳米复合材料行为刚好相反，我们将其归因于体系更高的熵弹性和更均匀的纳米颗粒分布。进一步探究固定应变下应力与温度的非线性关系，结果表明体系熵的贡献占总应力的大部分，而内能的变化仅占小部分，这与经典橡胶弹性理论的实验观察结果一致。综上，该研究提供了精确调控纳米颗粒空间分布并高效调控聚合物纳米复合材料力学性能的新策略。 （2）通过分子动力学模拟手段，设计并构建了聚合物纳米复合材料界面焊接粗粒度模型，该模型考察在不同聚合物和纳米颗粒相互作用强度下，界面处在扩散过程中微观结构、动力学和强度的变化。在低相互作用强度时，纳米颗粒在扩散过程中逐渐迁移到垂直于z方向的上下表面层，而在高相互作用强度时它们分布在中间区域，这结论进一步被纳米颗粒间、纳米颗粒与聚合物间的非键合能、第二维利系数以及邻近纳米颗粒平均粒子数所证实。不同焊接时间下纳米颗粒和聚合物链的密度分布的结构演变过程也得到详细表征。同时，通过分子链xy-和z-组分的均方根回转半径分析表明聚合物链的尺寸表现出显著的各向异性。低相互作用强度时，由于聚合物链和纳米颗粒的高迁移率，焊接界面厚度增加最快。最后，因在本体区存在纳米颗粒，聚合物纳米复合材料在高相互作用强度下的力学性能最强，但体系在低相互作用强度下具有最佳的焊接效率。综上，该研究为聚合物纳米复合材料的界面焊接提供了深入的理解，为设计优良特性自修复聚合物纳米复合材料提供理论指导。 （3）通过分子动力学模拟手段，设计并构建了两亲性纳米杆诱导的不互容弹性体材料界面修复粗粒度模型，重点研究纳米杆对体系界面处的修复过程、修复后材料力学强度以及断裂韧性的影响。系统探究了纳米杆长径比、纳米杆填充份数、分子链刚柔性、分子链与纳米杆间相互作用强度以及对比纳米杆与柔性嵌段分子链对界面动力学及强度的作用规律。两亲性纳米杆分别与两种弹性体相互吸引，精准运动到两相界面处，起到有效的界面粘接修复作用。结果表明，固定填充长径比为6的纳米杆存在填充份数阈值，填充数目高于阈值可使单轴拉伸力学强度高于本体体系；填充数目高于韧性填充数目阈值时体系得到有效增韧。固定填充数目为120，相互作用强度为10.0，改变体系长径比，单轴拉伸应力曲线随长径比增加而增强；三轴拉伸过程中，存在阈值使体系表现出强于本体的增韧效果。除纳米杆填充份数与长径比外，分子链与纳米杆相互作用强度也是影响增强增韧效果的重要因素。存在相互作用强度阈值且相互作用强度升高，体系力学强度增强。相互作用强度影响纳米杆的分散状态进而影响体系韧性，分散的均匀性与强度共同竞争决定体系韧性，当强度足够高时，纳米杆的非均匀分散带来韧性的负面影响被削弱消除。分子链刚度对于不互容弹性体材料界面的增强与增韧也存在最佳数值，随分子链刚度增加，力学强度与韧性变化先上升后降低。对比纳米杆与同长度的柔性嵌段分子链，发现无论是力学强度还是耗散能，纳米杆均具有最佳效果。综上，该研究探索了纳米杆诱导不互容弹性体材料的界面修复、力学强度及断裂韧性过程，阐释了多种结构参数对界面粘合动力学及界面强度的影响规律，为相关实验设计提供了新思路。
弹性体纳米复合材料;分子动力学模拟;力学增强;界面自修复
北京化工大学
博士
材料科学与工程
张立群
2022
中文
TB383
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）