分子动力学模拟研究填料尺寸与形状对聚合物纳米复合材料导电网络的影响
聚合物纳米复合材料(PNCs)在材料领域具有十分重要的地位，它不仅具有传统聚合物材料的力学性能，还通过构建纳米填料导电网络获得了优异的电学性能。纳米颗粒在复合材料中的分散和聚集状态直接影响导电网络的形成，并最终影响其导电性能。但是，利用传统高分子表征手段难以直接从分子角度聚合物纳米复合材料的微观结构并快速建立其结构与导电性能的关系。因此，本课题采用分子动力学模拟研究了填料尺寸与形状对聚合物纳米复合材料导电网络形成及导电性能的影响，主要研究内容如下: (1)纳米填料尺寸对聚合物纳米复合材料导电网络的影响 模拟研究经常忽略实验中填料(NPs)的尺寸是多分散的，论文通过在聚合物基体中加入不同尺寸的球形纳米粒子(NPs)，研究了填料的尺寸、填料的体积分数、填料的多分散性以及剪切场对复合材料导电网络的影响。在静止状态下，相比于小球形纳米粒子，大球形纳米粒子不利于导电网络的形成，随着大纳米粒子体积占总填料体积的比例从0增大到1，逾渗阈值从5.04％增大到27.27％;为了更好的解释这个现象，我们利用与逾渗阈值变化相一致的填料分散状态、最大团簇大小和团簇数目来表征导电网络;固定纳米填料的体积分数，大、小纳米粒子之间表现出微弱的拮抗作用，单分散体系的逾渗阈值低于多分散体系;剪切场有助于填料发生一定程度的聚集，形成直接接触的导电网络结构，提高复合材料的导电性能;剪切速率从0增大到0.5时，混合填料α=0.75体系的逾渗阈值从13.0％降低到11.3％。 (2)纳米填料形状对聚合物纳米复合材料导电网络的影响 通过将导电纳米填料(杆状填料和片状填料)以一定比例分散在聚合物基体中，构建导电网络，研究了填料的体积分数、形状以及剪切场对复合材料导电性能的影响。在混合填料填充的PNCs体系中，相比于片状填料，杆状填料更有利于导电网络的形成;随着杆状填料体积占总填料体积的比例从0增大到1，复合材料的导电逾渗阈值从6.45％降低到4.06％;通过计算填料周围分布概率和最大团簇尺寸等导电网络结构参数，我们发现，杆状填料对导电网络的形成贡献更大;在剪切场中，杆状填料和片状填料都发生取向，导电网络被破坏，复合材料的导电性能降低;剪切场对杆状填料形成的导电网络破坏较为严重，而对片状填料形成的导电网络影响较小;当剪切速率从0增大到0.5时，混合填料构成的导电网络的导通率先下降，随后趋于平稳;特别地，杆状填料和片状填料在静止状态下没有出现协同作用，而在剪切场中，两种填料出现微弱的协同作用。
纳米复合材料;聚合物;导电网络;分子动力学模拟;剪切场
北京化工大学
硕士
材料工程
赵秀英;张继阳
2021
中文
TB33
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）