具有多重网络结构橡胶材料的分子动力学模拟及力学性能计算模拟方法的开发
橡胶材料因其所具备的独特的高弹性和可回复性，作为一种战略材料而备受关注。深入理解橡胶材料结构与性能的关系是制备下一代先进橡胶材料的关键。为加速新型橡胶材料的设计、制备和关键应用，“材料基因组计划”应运而生。通过使用高通量计算模拟手段建立橡胶材料中各种结构与性能关系，并加以整合到高通量数据库中，直接指导实验进行新型橡胶材料的设计与制备。因此，材料科学的发展将逐步迈入“计算材料设计的时代” 本文采用分子动力学模拟技术，从分子水平揭示了橡胶材料中几种特殊的共价键网络和非键相互作用网络的微观结构和静态力学性能的关系;同时，针对分子动力学模拟在定量计算橡胶材料静态力学性能过程中出现的问题，提出了一些新的方法。主要研究结果如下: (1)通过分子动力学模拟设计了具有相同长度主链的固定连接结构网络和滑动连接结构网络的粗粒度模型，对比了这两种共价键连接方式对交联网络体系内分子链运动能力和体系静态力学性能的影响。首先，表征了两种网络结构中主链均方位移、键矢量和末端矢量变化情况，发现滑动连接结构使体系拥有更慢的运动能力。通过对体系玻璃化温度的计算也验证了这一点。然后本文研究了交联密度对两种连接结构网络在拉伸-回复过程中力学响应行为的影响，发现在同等交联密度下，相对于固定连接体系，滑动连接体系表现出较高的取向度，但分子链间的滑移也使得体系应力较低，产生了较大的滞后损失。且滑动连接体系的滞后损失受交联密度的影响较小。最后本文也研究了两种连接结构网络在压缩-回复过程中的力学响应行为。滑动连接体系中环结构在压缩过程中的聚集将产生应变硬化现象。 (2)通过分子动力学模拟构建了同时由共价键交联网络、氢键相互作用网络和配位相互作用网络形成的多重网络体系的粗粒度模型。本文研究了共价交联密度、配位相互作用珠子的填充数目和配位相互作用强度对多重网络体系结构和静态力学性能，尤其是增韧效果的影响。通过数量足够的配位相互作用珠子和具有一定强度的配位相互作用形成的配位相互作用网络一定程度上破坏了体系内氢键相互作用网络。通过三轴拉伸变形，本文研究了多重网络增韧橡胶材料的必要条件和增韧机理。通过非键相互作用形成的具有一定强度和足够的物理交联点将引发具有一定长度的取向的聚合物分子链/束阻止空洞汇聚和裂纹扩展。同时，本文也发现了氢键相互作用网络和配位相互作用网络做牺牲键在拉伸过程中分阶段连续断裂的能量耗散过程。 (3)针对目前分子动力学模拟在准确、定量计算具有特定结构的橡胶材料的力学性能中出现的问题，基于交联的丁苯橡胶全原子模型，本文提出了两种方法定量计算橡胶材料静态力学性能的方法。在第一种方法（连续分步拉伸-松弛）中，本文通过假设各个拉伸过程中的应变相同以控制整个过程拉伸速率相同，并且在每一步拉伸后允许体系进行足够的松弛。得到的工程应力-应变曲线特征与通过实验得到的非常相似。在第二种方法中，拉伸过程被分解为多个非连续的过程。在将交联的丁苯橡胶体系拉伸至特定的应变时，对体系在恒定应变下进行松弛直到应力到达应力平台并将该平台应力值作为该应变下体系最终的力学性能。通过对比传统的单轴拉伸方法，这两种方法都能反映橡胶材料在拉伸过程中的独特应力响应，并将模拟值与实验值的差距从三个数量级缩短至一个数量级。
橡胶材料;共价键网络;非键相互作用网络;微观结构;静态力学性能;分子动力学模拟
北京化工大学
博士
材料科学与工程
刘军;张立群
2021
中文
TQ330.7
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）