关键词:
分子动力学模拟
丁腈橡胶
摩擦磨损
碳纳米管
石墨烯
摘要:
高分子材料凭借其优异的力学和热力学性能、抗摩擦磨损特性、轻质、抗腐蚀性和价格低廉等优点被广泛应用在农业、石油化工、海洋、航空航天等科技领域。但高分子材料在应用中,常常承受高温、高压、磨粒磨损等复杂因素的耦合作用,导致基体材料出现过早断裂和磨损等失效情况,缩短了设备使用寿命,造成了大量的经济损失。因此,探索高分子材料失效机理和研究提升其机械和摩擦磨损特性的方法具有十分重要的意义。目前,混入炭黑、白炭黑和纤维等传统补强体系仍被广泛使用,但该类补强体系通常具有不可再生、难易降解、比表面积低等局限性。导致了环境污染并损坏高分子轻质这一重要特性,并且其补强能力也十分有限。基于连续理论的计算和宏观的实验研究仍然是现阶段主要的方法和途径。在原子维度的结构构象和体系随时间变化的过程却无法进行实时观测和分析,微观理论分析与支撑十分薄弱。近年来,随着纳米技术和材料科学的不断发展,以碳纳米管(CNTs)和石墨烯(GNS)为代表的碳纳米材料,凭借其良好的力学和热力学性能、高比表面积、轻质等优异性质,可以打破传统补强体系的局限性,成为新一代高分子材料的理想纳米补强体系。同时,随着纳米技术与计算机技术的不断结合,分子动力学理论逐步成熟,利用该方法不但可以得到体系内原子的运动轨迹,还可观察到原子运动过程中的各项微观细节,同时又可以计算材料的宏观性质,它是对理论计算和实验研究的有益补充。本文旨在从微观维度出发,揭示碳纳米材料增强高分子基体机械和摩擦磨损性能的微观机理,探索提升高分子基体各项性能的方法与手段。文中构建了CNTs、GNS增强高分子基体的分子模型,利用分子动力学模拟分析了纳米复合材料的宏观性能,模拟结果表明,通过加入CNTs和GNS,高分子基体的弹性与剪切模量、拉伸强度、硬度、断裂性能等性能均得到有效提升。通过对原子浓度、径向分布函数、界面能量等微观信息的计算和统计,讨论并揭示了碳纳米材料对高分子基体机械性能补强的微观机理,研究发现,CNTs与GNS表面的范德华力与静电作用力可黏结吸附周围的高分子链段,高分子基体更加坚固,同时提升了高分子基体自身强度,保证了应力在基体内的均匀传递,并且可以在裂纹处起到有效的连桥作用,从而可有效抵抗外载荷作用和延缓裂纹扩展。对比分析了CNTs与GNS补强高分子基体机械性能的差异性,构建了同等质量分数的CNTs和GNS补强高分子基体的分子模型,利用分子动力学模拟了碳纳米材料从高分子基体内的拔出行为和拉伸过程。从微观角度分析了两者之间差异与材料失效的微观机理。模拟结果显示,由于GNS特有的二维原子构型,相较于CNTs具有更高的比表面积,可提供更大的表面吸附力,形成更强的补强界面,延缓高分子基体断裂失效,从而提升了对高分子基体在各个方面的补强能力。文中构建了CNTs、GNS/橡胶复合材料与金属之间的摩擦副分子层模型,利用分子动力学方法模拟两者之间的摩擦行为,同时模拟了不同径向压力与摩擦速度下的摩擦行为,计算了摩擦系数与磨损量等摩擦学性能参数,通过计算和统计摩擦过程中的原子浓度分布、界面能量、原子速度、分子键能量等微观信息,揭示了不同情况下橡胶材料与金属之间的摩擦机理,讨论了CNTs与GNS在增强橡胶材料摩擦学性能中的作用。研究表明,由于CNTs与GNS表面的范德华力和静电力的作用,橡胶分子链被牢牢吸附在碳纳米材料表面,改善了橡胶基体内部的应力传递和抗剪切变形等性能。同时摩擦界面的摩擦应力、温度和原子运动活性得到有效降低,提升了其抗摩擦能力。本文最后提出了表面官能化GNS和交联GNS两种新型纳米补强材料,分别构建了不同改性下的GNS增强高分子基体复合材料的分子模型,模拟分析了复合材料的机械性能、热力学性能与摩擦学特性,着重对比了表面改性前后,基体内补强界面的差异,从微观角度揭示其增强机理。模拟结果表明,将GNS与高分子进行交联处理后,高分子链可同时被石墨烯表面的范德华力、静电作用力和交联化学键所吸引和束缚,产生了更强的补强界面,降低了高分子链的运动活性,缩小了基体内的自由体积,可有效抵抗外载荷作用,提升了高分子基体的机械、热力学以及摩擦学性能。