聚合物—粘土纳米复合材料结构及其杨氏模量分子动力学模拟

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聚合物-粘土纳米复合材料具有很多先进优良的性质,比如:电子性能,热学性能,光学性能,尤其是其具有优越的力学性能,因而成为近年来发展迅速并得到广泛应用的材料。然而,尽管这类材料在过去几十年发展迅速,但是仍然存在一些有待改进加强的部分,来加快这类材料的发展与应用。其中一方面是缺少一个经济有效的方法来有效地控制聚合物主体中纳米填充物的分布;另外一方面是缺少结构与其性质的关系。当蒙脱石粘土在聚合物主体尼龙6中分散时,会生成尼龙6-蒙脱石纳米复合材料。根据蒙脱石粘土在尼龙6中的分散形态,这类材料主要形成有三种结构。一种是传统的复合材料,另外两种分别是夹层式纳米复合材料和剥脱式纳米复合材料。其中,剥脱式纳米复合材料具有最优的机械性能。因此,在我的硕士论文研究中,主要研究剥脱式尼龙6-蒙脱石纳米复合材料的结构及其机械性能。众所周知,介面对纳米复合材料的性质有着很重要的影响。实验科学家用很多先进的设备和技术表征纳米复合材料的结构,以及定量描述了介面的各种性质。然而,由于纳米复合材料的纳米尺度特征,以及介面与聚合物主体的模糊边界条件,很难用实验手段来实现对纳米复合材料的介面厚度的量化表征。因而,介面的性质对纳米复合材料的机械性能的影响和作用还有待研究。近年来,计算机模拟方法得到了长足的发展,其中,分子动力学模拟方法可以在分子尺度上有效地研究材料的结构和性质。我们用分子动力学方法模拟研究了不同组分(蒙脱石,聚合物和表面活性剂)之间的相互作用能,并且用分子动力学方法模拟了部分剥脱式粘土和全部剥脱式粘土-聚合物纳米复合材料的介面结构以及介面的有效厚度。通过得到的介面有效厚度,建立了有效纳米粘土(全部剥脱的单层有效纳米粘土以及部分剥脱的两层和三层有效纳米粘土)的模型。这些模型被看作是聚合物-粘土纳米复合材料的基础材料。最后,通过分子动力学方法计算和分析得出这些基础材料的杨氏模量,并运用混合率的数值计算方法,计算得到聚合物-粘土纳米复合材料的杨氏模量。
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