分子动力学研究聚异戊二烯力学性能和热学性能
发布时间：2022-01-27 09:28
橡胶是一种结构和组成复杂的高分子复合材料,在许多领域都有广泛的应用,尤其是轮胎、密封件和弹性材料。为了满足这些应用,橡胶需要满足相应的机械性能和热学性能要求,于是需要有选择地选择聚合物和各种添加剂并混合以形成弹性复合材料。由于橡胶体系的复杂性,在实验中很难观察其微观细节,而计算机模拟可以从微观角度深入了解物质的细节变化。本文使用分子动力学方法（Molecular Dynamics Simulations,MD）研究了聚异戊二烯橡胶（Polyisoprene rubber,IR）的力学强度、往复形变的生热性能和导热性能。首先通过MD方法研究了交联密度、填料含量、填料粒径、界面强度、温度和应变率对IR的力学性能和生热的影响。研究发现存在最佳交联密度使IR的生热最小;随着填充含量和界面强度的增加,IR的力学性能和生热均快速升高;粒径的增加可以减少体系中热量的积累,但力学性能有所下降;温度升高,IR的生热减少,力学性能也随之降低;在高应变率下,随着应变率的提高,IR的机械性能和生热性能都有明显的升高。然后通过能量分析方式研究了IR的生热性能。首先对动能和势能分析发现,填充后的IR中势能变化远远...
【文章来源】：安徽大学安徽省211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
计算机模拟尺度[1]
安徽大学硕士学位论文5由此可见等温等压系综是正则系综的推广，因此等温等压系综的算法可以简单的看作是改进正则系综，其中除了尝试在保持粒子位移以外还得尝试在体积变化的过程中维持压力不变，位移是否被接受由ΔE（能量变化）决定。在计算N-1个粒子的位移时，要重新评价N（N-1）个粒子之间的相互作用，所以理论上计算体积的变化要比粒子位移花费更多的时间，因此采用“标度”分子间势能来避免繁杂的计算。在等温等压系综的计算过程中，首先要对能量进行标度，初始构象需要标定不同的系综和参数。固体大多数使用面心格子标定粒子的初始状态和计算初始的势能，势能函数的标度直接影响体积的变化，NPT系综中分子链上的每一个构象都是原子随机移动和体积变化这两个运动的结果。粒子移动涉及坐标的变化和处于下一位置的能量计算，并且决定整个体系能量的变化，这一计算不涉及体积的变化。涉及体积变化的是通过事先设定的变化范围，随机地重新变化模拟格子的长度。如果势能已经标度过了，系综的能量可以通过新的标度体积，否则只能通过当前所有粒子成对作用势来计算能量。等温等压系综最核心方法是热浴和控压，一般使用Nosé-Hoover[44]恒温恒压来调节温度和压力。1)恒温Nosé和Hoover在描述温度是否达到恒定状态时，引入了与热源相关的参数ξ，热源相关参数就是用来维持N、V、T值恒定。简而言之就是在所研究的体系周围存在一个更大的热源，因为热源足够大，所以热源与所研究的体系进行热量交换时不会影响热源整体的温度，当热源与体系达到动态热平衡后，二者的温度相同，以此方法来达到所研究的体系恒温的目的。恒温原理如图1.2所示[45]。图1.2Nosé-Hoover恒温原理图[45]Figure1.2Nosé-Hooverthermostatschematic[45]
第一章绪论62)恒压1980年Anderson提出采用活塞式调控系统的体积，进而来调节体系的压力，原理如图1.3所示[45]。当所研究的体系压力与外界压力相同时，体系将维持在一定的体积，而当活塞压缩体系达到平衡后，体系的体积就是模拟所需压力时的体积，以此方式来调节系统中的压力变化。图1.3MD恒压原理图[45]Figure1.3MDconstantpressureschematic[45]1.3.3初始条件a．初始化位型模拟开始首先要给定体系中各个分子的初始状态（初始位置，初始速度），在模拟中人为的先赋予系统一个温度，各个粒子的初始速度先按麦克斯韦分布取样，如图1.4所示[46]。在平衡状态下，分布在任一速率区间内的分子数与总分子数的比率如公式（1.6）所示。()=4(2)3/2exp(22)2(1.6)
【参考文献】：
期刊论文
[1]硅橡胶拉伸行为的应变率相关性测试和表征[J]. 郭玲梅,汪洋,徐伟芳. 高压物理学报. 2019(05)
[2]橡胶拉伸行为的分子动力学模拟[J]. 何燕,蒋英男,唐元政,陈浩,马连湘,李康. 橡胶工业. 2019(06)
[3]交联聚合物本征导热性能研究进展[J]. 龚莹,周文英,徐丽,寇雨佳,蔡会武,赵伟,闫智伟. 中国塑料. 2018(05)
[4]导热橡胶研究进展[J]. 董梦杰,张继川,刘力,范聪,袁重阳,王晓燕,侯冠一,温世鹏,王博伦. 高分子通报. 2018(04)
[5]橡胶材料生热及其对力学性能的影响[J]. 初红艳,许康健,黄为,蔡力钢. 北京工业大学学报. 2017(11)
[6]导热橡胶技术的研究进展[J]. 冯涛,张新军. 橡胶工业. 2017(09)
[7]本征导热热塑性聚合物研究进展[J]. 龚莹,周文英,徐丽,彭建东,赵伟,闫智伟. 中国塑料. 2017(04)
[8]炭黑N660用量对溴化丁基橡胶动态力学性能的影响[J]. 曲明,傅国娟,史新妍. 合成橡胶工业. 2017(01)
[9]不同粒径炭黑填充子午线轮胎胎圈胶的性能研究[J]. 孙彬,张振秀. 世界橡胶工业. 2016(07)
[10]导热橡胶复合材料研究进展[J]. 王子君,周文英,睢雪珍,董丽娜,张溟涛. 橡胶工业. 2015(08)
硕士论文
[1]橡胶材料拉伸性能的分子动力学模拟研究[D]. 李康.青岛科技大学 2018
[2]填料对天然橡胶高温疲劳性能的影响[D]. 崔宝平.青岛科技大学 2016
本文编号：3612219
【文章来源】：安徽大学安徽省211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
计算机模拟尺度[1]
安徽大学硕士学位论文5由此可见等温等压系综是正则系综的推广，因此等温等压系综的算法可以简单的看作是改进正则系综，其中除了尝试在保持粒子位移以外还得尝试在体积变化的过程中维持压力不变，位移是否被接受由ΔE（能量变化）决定。在计算N-1个粒子的位移时，要重新评价N（N-1）个粒子之间的相互作用，所以理论上计算体积的变化要比粒子位移花费更多的时间，因此采用“标度”分子间势能来避免繁杂的计算。在等温等压系综的计算过程中，首先要对能量进行标度，初始构象需要标定不同的系综和参数。固体大多数使用面心格子标定粒子的初始状态和计算初始的势能，势能函数的标度直接影响体积的变化，NPT系综中分子链上的每一个构象都是原子随机移动和体积变化这两个运动的结果。粒子移动涉及坐标的变化和处于下一位置的能量计算，并且决定整个体系能量的变化，这一计算不涉及体积的变化。涉及体积变化的是通过事先设定的变化范围，随机地重新变化模拟格子的长度。如果势能已经标度过了，系综的能量可以通过新的标度体积，否则只能通过当前所有粒子成对作用势来计算能量。等温等压系综最核心方法是热浴和控压，一般使用Nosé-Hoover[44]恒温恒压来调节温度和压力。1)恒温Nosé和Hoover在描述温度是否达到恒定状态时，引入了与热源相关的参数ξ，热源相关参数就是用来维持N、V、T值恒定。简而言之就是在所研究的体系周围存在一个更大的热源，因为热源足够大，所以热源与所研究的体系进行热量交换时不会影响热源整体的温度，当热源与体系达到动态热平衡后，二者的温度相同，以此方法来达到所研究的体系恒温的目的。恒温原理如图1.2所示[45]。图1.2Nosé-Hoover恒温原理图[45]Figure1.2Nosé-Hooverthermostatschematic[45]
第一章绪论62)恒压1980年Anderson提出采用活塞式调控系统的体积，进而来调节体系的压力，原理如图1.3所示[45]。当所研究的体系压力与外界压力相同时，体系将维持在一定的体积，而当活塞压缩体系达到平衡后，体系的体积就是模拟所需压力时的体积，以此方式来调节系统中的压力变化。图1.3MD恒压原理图[45]Figure1.3MDconstantpressureschematic[45]1.3.3初始条件a．初始化位型模拟开始首先要给定体系中各个分子的初始状态（初始位置，初始速度），在模拟中人为的先赋予系统一个温度，各个粒子的初始速度先按麦克斯韦分布取样，如图1.4所示[46]。在平衡状态下，分布在任一速率区间内的分子数与总分子数的比率如公式（1.6）所示。()=4(2)3/2exp(22)2(1.6)
【参考文献】：
期刊论文
[1]硅橡胶拉伸行为的应变率相关性测试和表征[J]. 郭玲梅,汪洋,徐伟芳. 高压物理学报. 2019(05)
[2]橡胶拉伸行为的分子动力学模拟[J]. 何燕,蒋英男,唐元政,陈浩,马连湘,李康. 橡胶工业. 2019(06)
[3]交联聚合物本征导热性能研究进展[J]. 龚莹,周文英,徐丽,寇雨佳,蔡会武,赵伟,闫智伟. 中国塑料. 2018(05)
[4]导热橡胶研究进展[J]. 董梦杰,张继川,刘力,范聪,袁重阳,王晓燕,侯冠一,温世鹏,王博伦. 高分子通报. 2018(04)
[5]橡胶材料生热及其对力学性能的影响[J]. 初红艳,许康健,黄为,蔡力钢. 北京工业大学学报. 2017(11)
[6]导热橡胶技术的研究进展[J]. 冯涛,张新军. 橡胶工业. 2017(09)
[7]本征导热热塑性聚合物研究进展[J]. 龚莹,周文英,徐丽,彭建东,赵伟,闫智伟. 中国塑料. 2017(04)
[8]炭黑N660用量对溴化丁基橡胶动态力学性能的影响[J]. 曲明,傅国娟,史新妍. 合成橡胶工业. 2017(01)
[9]不同粒径炭黑填充子午线轮胎胎圈胶的性能研究[J]. 孙彬,张振秀. 世界橡胶工业. 2016(07)
[10]导热橡胶复合材料研究进展[J]. 王子君,周文英,睢雪珍,董丽娜,张溟涛. 橡胶工业. 2015(08)
硕士论文
[1]橡胶材料拉伸性能的分子动力学模拟研究[D]. 李康.青岛科技大学 2018
[2]填料对天然橡胶高温疲劳性能的影响[D]. 崔宝平.青岛科技大学 2016
本文编号：3612219
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