通过宏观物理量的变化预测甘油-水低温保护液的玻璃化转变温度

利用等温等压下的分子动力学模拟方法预测了60 wt%甘油水溶液的玻璃化转变温度(Tg).在90～250 K的温度范围内,模拟计算体系的宏观物理量如恒压热容、密度、周期性单元体积、特征原子的径向分布函数和氢键的形成几率等状态参数,通过这些参数随温度的变化规律来预测甘油水溶液的Tg值.结果表明: 60%的甘油水溶液的预测Tg值(160.06～167.51 K)与DSC实验测定结果(163.60～167.10 K)和DMA实验测定结果(159 K)十分吻合.     

硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟

采用Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数,结合速度形式的Verlet算法和Fourier定律,对单层和两层硅功能化石墨烯沿长度方向的导热性能进行了正向非平衡态分子动力学模拟.通过模拟发现,硅原子的加入改变了石墨烯声子的模式、平均自由程和移动速度,使得单层硅功能化石墨烯模型的热导率随着硅原子数目的增加而急剧地减小.在300 K至1000 K温度变化范围内,单层硅功能化石墨烯的热导率呈下降趋势,具有明显的温度效应.对双层硅功能化石墨烯而言,少量的硅原子嵌入,起到了提高热导率的作用,但当硅原子数目达到一定数量后,材料的导热性能下降.     

聚酰亚胺/铜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酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的形态结构、 热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和纳米颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明, 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物为各向同性的无定形态结构, 铜纳米颗粒与聚酰亚胺基体之间通过较强的范德华作用结合在一起使结构更加稳定, 铜纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 在铜颗粒和聚酰亚胺基体之间形成界面层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的等容热容随着颗粒尺寸增大而明显增高, 随温度变化比聚酰亚胺体系更为缓慢, 在较低温度下较小颗粒尺寸复合物的热容比聚酰亚胺体系更低. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的热压力系数随颗粒尺寸增加而显著增大, 比聚酰亚胺体系的热压力系数更小, 且随温度升高而减小的程度要小得多. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的热力学性质表现出明显的尺度效应, 温度稳定性明显高于聚酰亚胺体系. 聚酰亚胺/铜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, 具有比聚酰亚胺体系更低的杨氏模量和泊松比, 随温度升高分别减小和增大, 与聚酰亚胺体系随温度的变化趋势相反, 且杨氏模量的温度稳定性显著提高, 同时泊松比随纳米颗粒尺寸增大而减小, 具有明显的尺度效应. 加入铜纳米颗粒形成复合物可获得与聚酰亚胺体系显著不同的力学新特性. 关键词： 分子动力学模拟 聚合物纳米复合物 聚酰亚胺 纳米颗粒     

功能化石墨烯改性聚乙烯热力学特性的分子动力学模拟

聚乙烯绝缘材料在我国高压电缆中有着广泛的应用.为了提高其耐热稳定性和力学性能,利用石墨烯对聚乙烯进行掺杂改性,并基于分子动力学模拟的研究方法分别建立了低密度聚乙烯(LDPE)、石墨烯和3种官能团接枝石墨烯掺杂聚乙烯的复合模型.研究表明,相比石墨烯直接掺杂聚乙烯,羧基(-COOH)、氨基(-NH)和羟基(-OH)接枝石墨烯能够更加有效地提高聚乙烯的玻璃化温度(分别提高了16 K、7 K、5 K),减弱聚乙烯分子链的移动和降低聚乙烯的热膨胀系数、均方位移(MSD),从而使得聚乙烯复合体系的热学性能得到了有效增强.此外发现石墨烯的掺杂能够提高复合模型的力学模量,其中官能团接枝石墨烯改进效果更明显,室温下弹性模量和剪切模量的提升幅度由不接枝的33.98%、36.18%,提升到了44%和42.89%(羧基功能化体系).研究结果可为聚乙烯绝缘材料的热老化抑制和力学性能的改善提供有益的参考.     

功能化石墨烯改性聚乙烯热力学特性的分子动力学模拟

聚乙烯绝缘材料在我国高压电缆中有着广泛的应用,为了提高其耐热稳定性和力学性能,利用石墨烯对聚乙烯进行掺杂改性,并基于分子动力学模拟的研究方法分别建立了低密度聚乙烯（LDPE）、石墨烯和3种官能团接枝石墨烯掺杂聚乙烯的复合模型。研究表明,相比石墨烯直接掺杂聚乙烯,羧基（-COOH）、氨基(-NH2)和羟基(-OH)接枝石墨烯能够更加有效地提高聚乙烯的玻璃化温度（分别提高了16k、7k、5k）、减弱聚乙烯分子链的移动和降低聚乙烯的热膨胀系数、均方位移(MSD),从而使得聚乙烯复合体系的热学性能得到了有效增强;此外发现石墨烯的掺杂能够提高复合模型的力学模量,其中官能团接枝石墨烯改进效果更明显,室温下弹性模量和剪切模量的提升幅度由不接枝的33.98%、36.18%,提升到了44%和42.89%（羧基功能化体系）。研究结果可为聚乙烯绝缘材料的热老化抑制和力学性能的改善提供有益的参考。     

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.     

退火温度调控多层折叠石墨烯力学性能的分子动力学模拟

退火是石墨烯宏观组装材料常用的制备工艺之一,广泛用于其性能的调控.在石墨烯基材料中,石墨烯片层由于其自身的二维特性通常在微纳米尺度下呈现出多层折叠的结构.然而这种微观结构对材料力学性能退火调控的影响仍未得到充分的了解.为了阐明多层折叠石墨烯力学性能与退火温度间的调控关系,基于分子动力学模拟研究了材料弹性模量、拉伸强度、极限应变以及断裂韧性等关键力学性能参数随退火温度的变化规律,进而结合观察微观结构的演化过程揭示了性能调控现象的物理机制.结果表明:更高的退火温度将增强多层折叠石墨烯的弹性模量与拉伸强度,但同时削弱了其极限应变,并且其断裂韧性能够在一定退火温度范围内实现强化.研究发现,以上力学性能的调控作用归因于更高的退火温度将造成更加密集的层间交联,从而增强了折叠区域层间界面的相互作用,并限制了折叠结构的形态展开,致使结构破坏模式发生转变.     

硅晶体表面石墨烯褶皱形貌的分子动力学模拟研究

本文利用分子动力学的方法和模拟退火技术从原子尺度分析研究了Si (100), Si (111)和Si (211)表面单原子层石墨烯的褶皱形貌及其演化特点. 研究表明, 分别置于Si晶体的三种不同原子表面的石墨烯都展现出原子尺度的褶皱形貌. 石墨烯与Si晶体表面原子的晶格失配是引起石墨烯褶皱的主要原因. 研究发现, Si晶体表面石墨烯的褶皱形貌强烈的依赖于退火温度. 石墨烯的褶皱形貌还将直接影响其在Si晶体表面的吸附稳定性. 这些研究结果有助于人们认识基于Si晶体衬底的石墨烯的结构形貌及其稳定性, 为石墨烯的进一步应用提供理论参考.     

氮掺杂对石墨烯摩擦学特性影响的分子动力学模拟

掺氮石墨烯具有良好的应用前景,但对其摩擦学特性的研究仍较为缺乏.本文采用分子动力学方法研究了氮掺杂对石墨烯摩擦学特性的影响.结果表明在公度、非公度的界面结构下,氮掺杂对石墨烯摩擦特性的影响呈现相反的趋势.界面结构为公度状态时,氮原子的引入导致了局部非公度状态,因而界面势垒降低、摩擦减小.界面公度性的改变、层间氮原子和碳原子的范德瓦耳斯力作用对界面摩擦的影响相反,在二者的共同作用下,随氮掺杂比例的升高,掺氮石墨烯体系的界面摩擦力呈现先增大再减小的趋势.界面结构为非公度状态时,氮原子的引入对界面摩擦的影响主要体现在原子类型的变化,界面摩擦随氮掺杂比例的增大而增大.存在空位缺陷的石墨烯体系的摩擦最大,掺杂氮原子对于降低缺陷石墨烯体系的摩擦具有积极意义.     

势能模型对石墨烯导热性质分子动力学模拟的影响

针对常用的Tersoff势、Rebo势和Airebo势,系统性地分析势能模型对分子动力学模拟计算石墨烯色散关系、声子态密度、群速度和热导率的影响. 结果表明：Rebo势和Airebo势描述的声子色散关系接近实验值,Airebo势对应的声子态密度与第一性原理计算的结果较为符合,Rebo势和Airebo势计算的Γ点处声子群速度高于Tersoff势. 采用Airebo势得到石墨烯热导率约为1 150 W·（m·K）^-1,与实验值相近. 综合各种影响,相比于Tersoff势和Rebo势,Airebo势能模型更适合计算石墨烯的导热性质.     

应变石墨烯纳米带谐振特性的分子动力学研究

从动势能转换与守恒原理出发,在微正则(NVE)系综下,采用COMPASS力场对石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性进行了分子动力学模拟.研究发现,非线性响应主导了石墨烯纳米带的动态行为,而其超高的基波频率则与长度和边界条件密切相关;单轴拉伸应变对石墨烯纳米带基波频率的影响显著且强烈依赖于边界条件,四边固支型应变石墨烯纳米带具有更高的频移,其灵敏度可高达7800 Hz/nanostrain,远大于相同长度碳纳米管应变传感器的灵敏度;石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性均与手性无关.本文所得结果表明,由于超低 关键词： 石墨烯纳米带 分子动力学 应变 基波频率     

Finite temperature effect on mechanical properties of graphene sheets with various grain boundaries

The mechanical properties of graphene sheets with various grain boundaries are studied by molecular dynamics method at finite temperatures.The finite temperature reduces the ultimate strengths of the graphenes with different types of grain boundaries.More interestingly,at high temperatures,the ultimate strengths of the graphene with the zigzagorientation grain boundaries at low tilt angles exhibit different behaviors from those at lower temperatures,which is determined by inner initial stress in grain boundaries.The results indicate that the finite temperature,especially the high one,has a significant effect on the ultimate strength of graphene with grain boundaries,which gives a more in-depth understanding of their mechanical properties and could be useful for potential graphene applications.     

高压作用下相分离液体玻璃转变的分子动力学研究

采用分子动力学模拟方法,研究了二元混合液体在不同外压作用下的相分离与玻璃转变过程,计算了相分离液体在玻璃转变过程中的结构和动力学特征.研究发现,外压会促进相分离的产生,并提高玻璃转变温度,会使β弛豫出现的温度更高、存在的时间更长,导致系统扩散性降低.同时还发现,相分离液体的玻璃转变过程存在微观不均匀现象. 关键词： 相分离 玻璃转变 分子动力学模拟 外压影响     

Molecular dynamics simulation of gas adsorption on defected graphene

Gas sensing is one of the most promising applications for graphene. Using molecular dynamics simulation method, adsorption isotherm of xenon (Xe) gas on defected and perfect graphene is studied in order to investigate sensing properties of graphene for Xe gas. In this method, first generation of Brenner many-body potential is used to simulate the interaction of carbon–carbon (C) atoms in graphene, and Lennard–Jones two-body potential is used to simulate interaction of Xe–Xe and Xe–C atoms. In the simulated systems, adsorption coverage, radial distribution function, heat of adsorption, binding energy and specific heat capacity at constant volume are calculated for several temperatures between 90 K and 130 K, and various pressures. It was found that both of the defected and perfect graphene could be introduced as very good candidates for adsorption of Xe gas.     

金纳米管力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法, 研究了金纳米管沿不同晶向拉伸与压缩载荷下的力学性能, 并分析了金纳米管的半径对其力学行为的影响. 在模拟计算中, 采用镶嵌原子势描述金原子之间的相互作用. 模拟结果表明, 在拉伸及压缩过程中, 不同晶向的金纳米管力学性能相差较大, 在拉伸和压缩载荷下金纳米管<110>向的屈服强度最大; 在三个晶向<100>, <110>, <111>的金纳米管中, <100>晶向的金纳米管其屈服强度和杨氏模量都远远小于其他晶向. 研究结果还发现, 当纳米管的半径小于3.0 nm时, 金纳米管的屈服强度没有大的变化, 而当半径大于3.0 nm后, 随着半径的增大, 其屈服强度明显降低. 关键词： 分子动力学模拟 金纳米管 力学性能     

Molecular simulation study of the glass transition in a soft primitive model for ionic liquids

In this paper, we present a molecular dynamics study of the glass transition for a soft-core primitive model for ionic liquids, in which cations are fully flexible chains of tangent soft spherical monomers, being the positively charged monomer at one of the ends of the chain, and anions as charged soft spheres. We have monitored transport coefficients such as the self-diffusion coefficients and the shear viscosity, as well as correlation functions such as the mean-square displacement, the self-intermediate scattering function, and probes of heterogeneous dynamics such as the van Hove distribution function and the four-points susceptibility. The analysis of these properties indicates that, for a given pressure, the glass transition shows a weak temperature dependence on the cation length, occurring first for short-chain than for long-chain ionic liquids.     

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