碳纤维原丝热稳定化过程的反应分子动力学模拟
发布时间：2022-02-09 06:50
碳纤维由于其优异的材料性能,而受到了广泛的关注和应用,其需求量一直在增加。碳纤维工艺生产线较长,其中占主导作用的是原丝的热稳定化过程。然而,原丝热稳定化过程非常复杂,包含了各种物理和化学变化。现有的研究多数集中在宏观层面,微观层面的研究严重不足,人们对其微观过程的认识非常有限。因此,本文利用分子动力学模拟,从原子尺度对原丝热稳定化的微观过程进行了探索,分析反应机理。主要研究内容及结果如下:（1）通过反应分子动力学模拟,分别研究了等离子体中的氨基自由基、羟基自由基、氧自由基,与聚丙烯腈（PAN）分子链在热稳定化条件下的相互作用与反应过程。研究结果表明,氨基自由基对PAN分子链的热稳定化几乎没有影响;羟基自由基能与PAN分子发生反应,不仅能在主链上引入氧或者羟基,还可以将腈基中的三键打开成为双键,使腈基活化;这有助于原丝在加热过程中,形成耐热的梯形结构;氧自由基的活性太高,虽然能快速地将氰基的碳氮三键转变为碳氮双键,但也会迅速地将主链氧化,导致分子链断裂成短的链段,不利于形成连续的梯形结构。（2）为了探索不同的基团对碳氮环化反应的影响,分别模拟了腈基被羟基和氢加成的PAN分子链的热稳定化过...
【文章来源】：北京化工大学北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
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【参考文献】：
期刊论文
[1]计算化学的应用研究进展[J]. 高倪,范永太,邵泽庆,鲍传玲,段娇凤,马登学,夏其英. 山东化工. 2020(06)
[2]高性能聚丙烯腈基碳纤维制备技术几点思考[J]. 张泽,徐卫军,康宏亮,徐坚,刘瑞刚. 纺织学报. 2019(12)
[3]碳纤维材料在体育器械领域的应用价值分析[J]. 周博. 粘接. 2019(12)
[4]沥青基碳纤维制备研究进展[J]. 贺文晋,张晓欠,刘丹,何炳昊,王汝成. 煤化工. 2019(04)
[5]植物基碳纤维研究现状与展望[J]. 陈政豪,李荣荣,曹阳,张双保. 林产工业. 2019(05)
[6]PAN基高模量碳纤维成型过程中的结构性能关联性[J]. 钱鑫,王雪飞,郑凯杰,张永刚,李德宏,宋书林. 化工进展. 2019(05)
[7]聚丙烯腈基碳纤维制备过程中预氧化过程的研究进展[J]. 刘建华,张程,郭胜惠,许磊. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2018(04)
[8]聚丙烯腈纤维的预氧化及性能研究[J]. 王永. 纺织科技进展. 2018(04)
[9]碳纤维研究及发展现状[J]. 唐佳,陈玉祥. 化工设计通讯. 2017(10)
[10]PAN纤维在预氧化过程中的张力规律与牵伸控制[J]. 沈卫峰,宋文迪. 轻纺工业与技术. 2017(03)
博士论文
[1]基于GPU的煤热解化学反应分子动力学（ReaxFF MD）模拟[D]. 郑默.中国科学院研究生院(过程工程研究所) 2015
[2]ReaxFF反应力场的开发及其在材料科学中的若干应用[D]. 刘连池.上海交通大学 2012
[3]纤维素快速热解机理的分子模拟研究[D]. 黄金保.重庆大学 2010
[4]射频等离子法制备的TiO2纳米晶、PAN预氧化纤维纳米尺度微观结构研究[D]. 徐海萍.太原理工大学 2005
硕士论文
[1]催化油浆热解和燃烧碳烟形成过程研究[D]. 孟凯.华东理工大学 2019
[2]基于ReaxFF的铜CMP微观化学作用和材料去除研究[D]. 王晓丽.大连理工大学 2019
[3]分子模拟中周期性边界条件对扩散计算修正的研究[D]. 曹廷.中北大学 2019
[4]氢及同位素在BIIR/CeO2中渗透行为研究[D]. 何佳才.西南科技大学 2016
[5]碳纤维复合材料汽车前地板成型工艺及性能研究[D]. 丁小马.东华大学 2015
[6]脉冲电压对百合科植物释放负离子的影响及气孔的响应[D]. 王艳英.福建农林大学 2014
[7]聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料结构形态与介电性能仿真[D]. 国家辉.哈尔滨理工大学 2014
[8]聚丙烯腈预氧纤维含氧结构形成与演变[D]. 肖阳.北京化工大学 2013
[9]加氢焦化甲苯精制与分子模拟对气液相平衡的研究[D]. 赵艳斌.天津大学 2012
[10]PAN纤维热稳定化过程中化学结构形成与温度依赖性的研究[D]. 谢怀玉.北京化工大学 2011
本文编号：3616553
【文章来源】：北京化工大学北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１１原丝氧化反应形成酮基丨３１］??［３１］??
?北京化工大学硕士学位论文???开始初始化??Ｉ??分子的原始信，ｉｂｉ：如位置、??根据势能函数计算出分??子的受力及加速度??求解运动微积分＊方程得到下一时??刻分子的位置和速度???ｉ???对分子信息进行统计采样，计算??出相应的物理量???充足’体系是??曰??Ｉ疋??输出所需的统计结果??丄??结束??图１－１３分子动力学模拟过程??Ｆｉｇ．?１－１３?Ｆｌｏｗ?ｃｈａｒｔ?ｏｆ?ｍｏｌｅｃｕｌａｒ?ｄｙｎａｍｉｃｓ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??ｒ（ｔ?＋?Ｓｔ）?＝?２ｒ（ｔ）－ｒ（ｔ－Ｓｔ）＋Ｓｔ２ａ（ｔ）?式（１．１）??ｖ（／）?＝?［ｒ（／?＋?Ｓｔ）－ｒ｛ｔ￣／２Ｓｔ?式（１－２）??假设一个含有ｎ个原子或者分子的分子模拟系统，总能量是系统中分子的动能与??势能之和。分子系统总动能与温度正相关，分子总势能可以认为是各原子的位置函数，??通常总势能可以分为分子内成键势能１；？？和分子间（分子内原子）的非键范德华Ｕｖｄｗ??作用［３９］，势能的单位通常为ＫＪ／ｍｏｌ，通常分子内成键势能往往大于范德华作用。分子??内成键势能在不同的力场中的势能函数表达式不相同，而范德华作用可以近似的表达??为各原子对的范德华势总和，如公式１－３、１－４所示。??Ｃ／?＝?Ｋ?式（１－３）??ＵＶＤＷ?＝?Ｚ?Ｚ?Ｗ！／＾）?式（１＊４）??／＝１?ｊ＾ｉ＋１??式中，ｒｙ为ｉ、ｊ两原子间距，叫是ｉ、ｊ两原子间的范德华势??系统中粒子ｉ所受的力是势能的梯度，根据势能函数求解每个粒子所受到的力１＃，??９??
?北京化工大学硕士学位论文???再用粒子所受的力求导可以算出加速度，如公式］－５、１－６所示??／；＝－▽＂?式（１－５）??ａ：＝—?式（１－６）??ｍ，??再求解粒子的微分运动方程，更新粒子下一时刻的位置及速度，如公式１－７￣１－９??所示??ｄ１?ｄ?迕，，，、??ｄｔ２?ｄｔ??ｒ?＝?ｒ°?＋?ｖ°?＋—ａｔ２?式（１－８）??２??ｒ?＝?ｒ°?＋?ｖ°?＋—ａｔ２?式（１－９）??２??式中：上标“０”为物理量的初始值。??除此之外分子动力学模拟还有几个比较重要的概念，一是周期性边界条件，如图??１－１４所示，当系统边界中有粒子穿过边界时，对应就有粒子从相反的边界进入盒子，??这样盒子中的粒子总数保持不变［４｜］。二是系综，系综指的是相同条件的集合，它是统??计学中的概念，模拟系统的统计量和热力学信息都是根据系综来推出的。比如正则系??综就是保持体系的粒子数Ｎ、体积Ｖ、温度Ｔ不变，不同的系综适用于不同的研宄??条件。??①（Ｄ①（Ｄ①？??④？?④④④（Ｄ??？＿Ｑ??①（ｉ）截①？??（５）?Ｍ?Ｍ?＾?？??？?＾?＿：费④王；??①念?？?＠?①②??④？?④？?④？??？?ｏ?１？?ｏ?１？?〇??图１－１４周期性边界条件??Ｆｉｇ．?１－１４?Ｐｅｒｉｏｄｉｃ?ｂｏｕｎｄａｒｙ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ州??１．３．２分子动力学横拟软件??Ｌａｍｍｐｓ是材料领域广泛使用的分子模拟软件［４３】，由于它是开源且免费的，用户??可以自行修改源代码具有较好的移植性，支持多种常见的势能函数，另外一个优势就??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]计算化学的应用研究进展[J]. 高倪,范永太,邵泽庆,鲍传玲,段娇凤,马登学,夏其英. 山东化工. 2020(06)
[2]高性能聚丙烯腈基碳纤维制备技术几点思考[J]. 张泽,徐卫军,康宏亮,徐坚,刘瑞刚. 纺织学报. 2019(12)
[3]碳纤维材料在体育器械领域的应用价值分析[J]. 周博. 粘接. 2019(12)
[4]沥青基碳纤维制备研究进展[J]. 贺文晋,张晓欠,刘丹,何炳昊,王汝成. 煤化工. 2019(04)
[5]植物基碳纤维研究现状与展望[J]. 陈政豪,李荣荣,曹阳,张双保. 林产工业. 2019(05)
[6]PAN基高模量碳纤维成型过程中的结构性能关联性[J]. 钱鑫,王雪飞,郑凯杰,张永刚,李德宏,宋书林. 化工进展. 2019(05)
[7]聚丙烯腈基碳纤维制备过程中预氧化过程的研究进展[J]. 刘建华,张程,郭胜惠,许磊. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2018(04)
[8]聚丙烯腈纤维的预氧化及性能研究[J]. 王永. 纺织科技进展. 2018(04)
[9]碳纤维研究及发展现状[J]. 唐佳,陈玉祥. 化工设计通讯. 2017(10)
[10]PAN纤维在预氧化过程中的张力规律与牵伸控制[J]. 沈卫峰,宋文迪. 轻纺工业与技术. 2017(03)
博士论文
[1]基于GPU的煤热解化学反应分子动力学（ReaxFF MD）模拟[D]. 郑默.中国科学院研究生院(过程工程研究所) 2015
[2]ReaxFF反应力场的开发及其在材料科学中的若干应用[D]. 刘连池.上海交通大学 2012
[3]纤维素快速热解机理的分子模拟研究[D]. 黄金保.重庆大学 2010
[4]射频等离子法制备的TiO2纳米晶、PAN预氧化纤维纳米尺度微观结构研究[D]. 徐海萍.太原理工大学 2005
硕士论文
[1]催化油浆热解和燃烧碳烟形成过程研究[D]. 孟凯.华东理工大学 2019
[2]基于ReaxFF的铜CMP微观化学作用和材料去除研究[D]. 王晓丽.大连理工大学 2019
[3]分子模拟中周期性边界条件对扩散计算修正的研究[D]. 曹廷.中北大学 2019
[4]氢及同位素在BIIR/CeO2中渗透行为研究[D]. 何佳才.西南科技大学 2016
[5]碳纤维复合材料汽车前地板成型工艺及性能研究[D]. 丁小马.东华大学 2015
[6]脉冲电压对百合科植物释放负离子的影响及气孔的响应[D]. 王艳英.福建农林大学 2014
[7]聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料结构形态与介电性能仿真[D]. 国家辉.哈尔滨理工大学 2014
[8]聚丙烯腈预氧纤维含氧结构形成与演变[D]. 肖阳.北京化工大学 2013
[9]加氢焦化甲苯精制与分子模拟对气液相平衡的研究[D]. 赵艳斌.天津大学 2012
[10]PAN纤维热稳定化过程中化学结构形成与温度依赖性的研究[D]. 谢怀玉.北京化工大学 2011
本文编号：3616553
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