POSS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料的力學(xué)模型與性能表征.pdf

1、本文采用分子力學(xué)模擬方法研究了常見POSS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料在不同的外力載荷下的物理力學(xué)行為；采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了數(shù)種具有不同分子結(jié)構(gòu)的POSS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料在不同溫度下的力學(xué)行為；并且通過與哈爾濱工業(yè)大學(xué)化學(xué)系的合作制備了一種POSS單體材料，表征了此材料的力學(xué)性能，研究了實(shí)際合成POSS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料的可行性。
　　提出了一種構(gòu)建高分子材料在分子模擬中所用模型的方法。運(yùn)用此方法成功建立了用于分子模擬的PO

2、SS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料的單個(gè)長鏈分子模型和適用于大部分模擬場景的元胞模型。詳細(xì)闡述了分子力學(xué)模擬和分子動(dòng)力學(xué)模擬的原理和具體方法，給出了算法實(shí)現(xiàn)的必要參數(shù)和實(shí)際算例。
　　用分子力學(xué)模擬方法研究了丙基POSS聚苯乙烯納米雜化材料和普通的聚苯乙烯材料在集中單軸拉伸、均勻單軸拉伸、納米壓痕三種不同載荷方式下的力學(xué)行為。通過拉伸模擬，揭示了POSS在普通聚合物材料受到拉伸破壞時(shí)所起到的增強(qiáng)效果和增強(qiáng)機(jī)理。少量的POSS單體雜化到普通高

3、分子材料中能使材料的拉伸模量顯著提高。拉伸變形過程中，高分子聚合物內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)微孔洞，隨著變形的不斷增加，微孔洞不斷生長，最后互相連接從而形成大面積的損傷，POSS能有效地阻止微孔洞的相互連接，從而避免過早出現(xiàn)大面積損傷，這是少量的POSS即能夠顯著提高普通聚合物拉伸性能的重要原因。通過納米壓痕模擬，提出了一種高分子聚合物材料在納米壓痕分子模擬中的硬度計(jì)算方法。硬度的計(jì)算表明少量的POSS能使材料的硬度提高50％以上。POSS單體在改性聚

4、合物材料中起到了骨架的作用，使之與普通聚合物材料相比能夠承受更高的壓載荷，同時(shí)POSS納米雜化材料在一定程度上具有結(jié)構(gòu)記憶功能。提出了一種表征聚合物硬度與壓痕深度關(guān)系的公式，實(shí)際計(jì)算結(jié)果表明該公式能夠較準(zhǔn)確地描述各類高分子材料在納米壓痕測試中硬度與壓痕深度的關(guān)系。用此公式修正了兩種材料的硬度并給出了在真實(shí)納米壓痕實(shí)驗(yàn)中所需要的有效壓痕深度。
　　用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了PN、C5PN、C6PN、GPDP、TSCP這5種材料在不同

5、溫度下的力學(xué)性能。通過研究連接不同POSS單體的POSS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料在不同溫度下的力學(xué)參數(shù)得到了POSS單體結(jié)構(gòu)對(duì)POSS納米雜化材料力學(xué)性能的影響。通過研究具有不同分子結(jié)構(gòu)的POSS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料在不同溫度下的力學(xué)參數(shù)，得到了分子結(jié)構(gòu)對(duì)POSS納米雜化材料力學(xué)性能的影響。考慮基相材料的力學(xué)參數(shù)、POSS單體的力學(xué)參數(shù)、POSS的單體“密度”、POSS單體與基相材料分子鏈之間的耦合作用以及POSS單體之間的相互耦合作用5個(gè)

6、因素影響，建立了預(yù)報(bào)POSS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料在常溫下力學(xué)性能的預(yù)報(bào)公式。公式形式簡單、物理意義明確，預(yù)測結(jié)果與實(shí)際計(jì)算結(jié)果吻合良好，特別對(duì)POSS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料中由于分子結(jié)構(gòu)的不同而造成的力學(xué)性能之間的巨大差異有著很好的區(qū)分效果。同時(shí)該公式還揭示了這種差異的本質(zhì)來源于POSS單體與基相材料分子鏈之間成鍵數(shù)目的差異，這也為該公式預(yù)測介于這三種結(jié)構(gòu)之間的POSS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料的力學(xué)性能提供了依據(jù)。
　　與化學(xué)系合作成功