聚乙烯/银纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究

通过分子动力学模拟对聚乙烯/银纳米颗粒复合物的结构、极化率和红外光谱、热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和银颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明: 聚乙烯/银纳米颗粒复合物为各向同性的无定形结构, 温度升高可提高银纳米颗粒的分散均匀性; 银纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 并在银颗粒和聚乙烯基体的界面形成电极化层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加; 与聚乙烯体系相比, 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的极化率高很多, 且随温度的升高和银颗粒尺寸的减小而增大; 银颗粒尺寸直接影响界面电偶极矩的强度和振动频率, 红外光谱峰强度和峰位随颗粒尺寸发生变化; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物具有比聚乙烯体系更高的等容热容和与聚乙烯体系相反的负值热压力系数, 热容随颗粒尺寸的变化较小, 但随温度的升高而明显减小, 具有显著的温度效应; 热压力系数随温度的变化较小, 但随颗粒尺寸的增加而减小, 具有明显的尺度效应, 温度稳定性更好; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚乙烯体系更高的杨氏模量和泊松比, 并且都随温度的升高和银颗粒尺寸的增大而减小, 加入银纳米颗粒可有效改善聚乙烯的力学性质. 关键词： 分子动力学模拟 聚合物纳米复合物 纳米颗粒     

聚酰亚胺/钽铌酸钾纳米颗粒复合材料结构与机械性能分子动力学模拟

利用多尺度建模方法构建了聚酰亚胺/钽铌酸钾纳米颗粒复合物模型, 通过分子动力学模拟研究了不同尺寸钽铌酸钾纳米颗粒(5.5, 8.0, 9.4, 10.5, 11.5 Å)对复合材料的结构、弹性模量和相互作用能的影响规律, 并通过计算纳米颗粒表面原子键能和单位表面积原子数目探究了复合物机械性能提高的内部机理. 聚酰亚胺和聚酰亚胺/钽铌酸钾复合材料的杨氏模量分别为2.91和3.17 GPa, 泊松比分别为0.37和0.35, 钽铌酸钾纳米颗粒的引入可以显著改善聚酰亚胺的机械性能. 纳米颗粒表面原子的键能为8.62-54.37 kJ·mol^-1, 表明颗粒与基体主要通过范德华力作用结合且有氢键存在. 计算结果表明, 相同掺杂比例下, 纳米颗粒尺寸越小, 纳米颗粒表面原子数目越大, 颗粒与基体作用更强, 杨氏模量的提高幅度越大, 尺寸效应越显著. 因此, 掺杂小尺寸纳米颗粒是提高聚酰亚胺机械性能的有效途径.     

硅纳米颗粒在碳纳米管表面生长的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了硅纳米颗粒在碳纳米管上的生长，并分析了这种复合材料的基本结构.研究表明，由于硅原子和碳纳米管之间的相互作用以及碳纳米管的巨大的表面曲率，硅原子在碳纳米管表面不是形成覆盖碳纳米管的二维薄膜，而是生成具有三维结构的硅纳米颗粒.小纳米颗粒的结构和无基底条件下生成的颗粒结构基本一致.对于大纳米颗粒，不同于无基底条件下形成的球状纳米晶体硅结构，硅纳米颗粒沿管轴方向伸长，其结构为类似于硅晶体的无定形网络结构. 关键词： 纳米颗粒 碳纳米管 硅 分子动力学模拟     

聚酰亚胺/功能化石墨烯复合材料力学性能及玻璃化转变温度的分子动力学模拟

应用分子模拟方法,建立了聚酰亚胺(polyimide,PI),石墨烯及羧基、氨基、羟基功能化石墨烯模型,探究了聚酰亚胺和石墨烯,聚酰亚胺和功能化石墨烯共混后复合材料的力学性能和玻璃化转变温度(T_g).研究结果表明,羧基修饰的石墨烯与PI复合后材料力学性能增加显著,其杨氏模量和剪切模量分别为4.946 GPa和1.816 GPa.不同官能团修饰的石墨烯引入PI后材料的T_g均有不同程度下降;未修饰的石墨烯与PI复合后,其T_g(559.30 K)较纯PI的T_g(663.57 K)降幅最大;而羧基修饰的石墨烯与PI复合后T_g(601.61 K)降幅最小.计算比较了PI/石墨烯复合材料体系密度、溶解度参数、相互作用能、弹性系数和氢键平均密度,研究发现羧基修饰石墨烯/PI复合材料的密度为1.396 g·cm~(-3),溶解度参数为23.51 J~(1/2)·cm~(-3/2),其相互作用能与氢键平均密度最大,弹性系数显示羧基修饰石墨烯与PI组成的复合材料内部最均匀.计算结果表明,羧基功能化石墨烯可以大幅度提高PI的力学性能,增强石墨烯与PI之间的相互作用可以减少复合材料T_g的降幅程度.此基体间相互作用的研究方法可以作为预测聚合物基纳米复合材料结构与性能的有效工具,以期为材料的设计与应用提供理论指导.     

铜原子纳米团簇热力学性质的分子动力学模拟研究

本文利用分子动力学模拟方法，研究了CuN（N=80、140、216、312、408、500、628和736）纳米团簇在热化和冷凝过程中结构和热力学性质的变化，模型采用的是Johnson的EAM作用势．模拟结果表明：铜团簇的熔点和凝固。点随其尺寸线性增加，并逐渐向大块晶体靠拢；所有团簇的凝固。羔都低于熔点，出现凝固过程中的滞后现象；在熔点和凝固点附近，团簇都具有负热容特性，负热容是由相变前后团簇内部结构突变引起的。     

纳米Cu颗粒等温晶化过程的分子动力学模拟研究

采用分子动力学方法和镶嵌原子势,模拟了500个Cu原子(简称Cu₅₀₀) 组成的纳米颗粒的等温晶化过程.利用修正的均方位移、键对分析技术和内在结构(IS) 等方法对该过程中的结构和动力学行为进行分析研究.结果显示:与块体金属不同的是, Cu₅₀₀纳米颗粒在某一温度保温时,其晶化时间并不是一个定值, 而是存在一个统计分布,并且保温温度越低其晶化时间的分布范围越广, 最长晶化时间越长.在低温晶化时, Cu₅₀₀经历了一系列中间构型的转变才达到晶态, 表现出多步晶化的特征.文章作者研究了颗粒的初始构型对晶化进程的影响, 发现颗粒的初始结构特征和能量状态对其随后的晶化过程有着重要的影响, 同一温度下,颗粒初始构型的IS能量越低其晶化时间越长,这一点在低温时尤其明显.     

铜原子纳米团簇热力学性质的分子动力学模拟研究

本文利用分子动力学模拟方法,研究了CuN(N=80、140、216、312、408、500、628和736)纳米团簇在热化和冷凝过程中结构和热力学性质的变化,模型采用的是Johnson的EAM作用势.模拟结果表明:铜团簇的熔点和凝固点随其尺寸线性增加,并逐渐向大块晶体靠拢;所有团簇的凝固点都低于熔点,出现凝固过程中的滞后现象;在熔点和凝固点附近,团簇都具有负热容特性,负热容是由相变前后团簇内部结构突变引起的.     

铜原子纳米团簇热力学性质的分子动力学模拟研究

利用分子动力学模拟方法,研究了CuN(N=80,140,216,312,408,500,628和736)纳米团簇在热化和冷凝过程中结构和热力学性质的变化,模型采用的是Johnson的EAM作用势.模拟结果表明:铜团簇的熔点和凝固点随其尺寸线性增加,并逐渐向大块晶体靠拢;所有团簇的凝固点都低于熔点,出现凝固过程中的滞后现象;在熔点和凝固点附近,团簇都具有负热容特性,负热容是由相变前后团簇内部结构突变引起的.     

过渡区内纳米颗粒的曳力特性模拟研究

在过渡区内,关于纳米颗粒曳力计算及输运特性的研究较为困难,通常会采用一些近似方法,将自由分子区或者连续介质区的理论计算式进行修正,以适用于过渡区,但是其准确性值得商榷.本文基于分子动力学模拟方法,研究了过渡区内纳米颗粒的曳力特性,并与相关理论进行对比.结果表明,气-固分子间相互作用对纳米颗粒的曳力具有显著影响.当气固结合强度较弱时,理论计算结果与分子动力学模拟值吻合较好;当气固结合强度较强时,分子动力学模拟结果明显大于理论值,这是由于气体分子在纳米颗粒表面的吸附所导致.基于气体分子在颗粒表面的吸附特性,提出引入有效颗粒半径修正,其过渡区内曳力的理论计算结果与分子动力学模拟结果吻合较好.     

纳米多晶铜微观结构的分子动力学模拟

基于EAM镶嵌原子势函数,采用分子动力学模拟了零温下纳米多晶铜的微观结构.首先用Voronoi几何方法构造了5个纳米多晶铜数值模型,在300K弛豫50ps并退火至0K.然后分析零温下弛豫模型的径向分布函数、原子能量、配位数、原子Voronoi体积、以及本征应力分布 关键词： 纳米多晶铜 微观结构 分子动力学     

SiC纳米纤维/C/SiC复合材料拉伸行为的分子动力学研究

本文采用分子动力学计算方法和Tersoff作用势研究了无定型碳(amorphous carbon, a-C) 涂层厚度对SiC纳米纤维/SiC纳米复合材料断裂方式及力学性能的影响. 分析结果发现, 随着涂层厚度的增加, 纳米纤维的平均应力集中系数下降, 即足够厚度涂层可以同时起到增强和补韧的作用. 当a-C涂层厚度t ≤ 0.3 nm时, 裂纹直接穿透纤维, 纳米复合材料表现出典型的脆性断裂方式; t = 4.0 nm时, 裂纹发生偏转, SiC纳米纤维发生拔出现象, 此时纳米复合材料的拉伸强度约为无涂层纳米复合材料的4倍, 断裂能则提高一个数量级. 计算结果表明, a-C涂层的厚度是SiC纳米纤维/SiC纳米复合材料中产生韧性机理的重要因素, 即传统微米级陶瓷基复合材料的增韧理论在纳米复合材料中仍适用. 研究结果可望为设计同时具有高强度、高韧性的陶瓷基纳米复合材料提供理论基础.     

碳纳米管振荡的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法,模拟了三种碳纳米管振荡器内管的振荡运动.结果显示：振荡器的内管越短,振荡的频率越大,且受到的轴向回复力的波动也越大.内管在沿着管轴振荡的同时,还绕着管轴旋转,转动的动能有明显涨落并与内管管长密切相关.该研究对于开发碳纳米管的相关应用技术有指导意义. 关键词： 分子动力学模拟 多壁碳纳米管 振荡     

Static and dynamic properties of grafted ring polymer: Molecular dynamics simulation

The static and dynamic properties of a system of end-grafted flexible ring polymer chains grafted to a flat substrate and exposed to a good solvent are studied by using a molecular dynamics method. The monomers are described by a coarse-grained bead-spring model. Varying the grafting density ρ and the degree of polymerization or chain length N, we obtain the density profiles of monomers, study the structural properties of the chain (radius of gyration, bond orientational parameters, etc.), and also present the dynamic characteristics such as chain energy and bond force. Compared with a linear polymer brush, the ring polymer brush exhibits different static and dynamic properties for moderate or short chain length, while it behaves like linear polymer brush in the regime of long chain length.     

Molecular dynamics simulation of stress and grain evolution

A three-dimensional molecular dynamics simulation is carried out to study the evolution of grains and stresses during the deposition of atoms on the (100) plane of a fcc regular crystal, using the cubic system with x–y periodic boundary conditions. At the bottom an atomic surface and at the top a reflecting wall are assumed. Atoms in the system interact via the Lennard–Jones potential. During simulation the films grow according to the Volmer–Weber mode and exhibit specific shape of the stress curves. When the film becomes continuous, the stress during the growth possesses a maximum value, but later new grain boundaries are formed. Individual atoms in the grain boundaries generate compressive stress in the films.     

分子动力学模拟研究方解石表面润湿性反转机理

利用分子动力学模拟技术从分子尺度探究方解石表面润湿性反转机理.首先,研究方解石表面润湿性反转过程;而后,从原油分子-方解石表面与原油分子-原油分子/水分子相互作用两个方面系统揭示方解石表面润湿性反转机理.结果:(1)水分子能够驱离方解石表面弱吸附的非极性分子造成润湿性的改变,但不能驱离强吸附的极性分子使润湿性反转难以实现;(2)原油分子极性越强与方解石表面相互作用越强,极性分子与方解石表面之间主要为静电力,非极性分子与方解石表面之间主要为范德华力;(3)原油分子极性越相近分子之间的相互作用越强,分子极性相差越大分子之间的相互作用越弱.非极性分子之间主要是范德华力,极性分子之间主要是静电力;(4)原油分子在方解石表面和水分子的共同作用下形成乙酸-吡啶-水-甲苯-己烷的稳定吸附序列.本研究为靶向提高采收率技术的设计与应用提供理论基础.