阮詩倫　孫本強(qiáng)　劉嬋

摘要：為研究在應(yīng)力場和溫度場作用下碳納米管/不定型聚乙烯復(fù)合材料界面基體分子取向的變化歷程，建立對應(yīng)的復(fù)合材料分子模型.利用經(jīng)典分子動力學(xué)的模擬方法，在對不同溫度場碳納米管表面高分子徑向分布函數(shù)（Radial Distribution Function， RDF）分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析溫度和拉伸應(yīng)力對界面處基體分子取向參數(shù)的影響規(guī)律.結(jié)果表明：當(dāng)溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的徑向分布函數(shù)值和取向參數(shù)值分別提高140%和119%；當(dāng)溫度為50 K時，對復(fù)合材料施加0.01 ps-1的應(yīng)變速率，當(dāng)應(yīng)變從0增加到0.24時，高分子鏈整體取向參數(shù)值提高19%.

關(guān)鍵詞：碳納米管； 聚乙烯； 分子動力學(xué)模擬； 取向參數(shù)； 徑向分布函數(shù)

中圖分類號： TB383

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

自1991年問世以來，碳納米管[1]因其卓越的力學(xué)性能和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)被作為理想的填充材料廣泛應(yīng)用于高分子復(fù)合材料.大量研究表明將碳納米管加入高分子基體材料中可有效增強(qiáng)高分子復(fù)合材料的機(jī)械性能[2-4]，但是碳納米管/高分子復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理仍存在諸多疑問，吸引大量科技工作者在該領(lǐng)域開展科學(xué)研究.眾所周知，碳納米管與高分子基體材料之間的界面性質(zhì)對整個體系的機(jī)械性質(zhì)有決定性的影響，因此，對該類材料界面性狀的研究成為解開其增強(qiáng)機(jī)理的關(guān)鍵所在.近幾年的研究表明，碳納米管的加入對周邊高分子的構(gòu)象、結(jié)晶行為及取向參數(shù)等有明顯影響[5-7]：當(dāng)碳納米管周圍聚合物呈現(xiàn)螺旋形貌時非常有利于復(fù)合材料界面強(qiáng)度的提高[3]；當(dāng)周邊高分子呈現(xiàn)有序晶態(tài)時復(fù)合材料的彈性模量顯著提高，反之則界面強(qiáng)度非常差[4].

目前，關(guān)于高分子復(fù)合材料的界面形貌對本身機(jī)械性能和物理性能的影響有相關(guān)報道，但界面形貌的形成因素還有待于深入研究.本文主要利用經(jīng)典分子動力學(xué)軟件LAMMPS[8]，采用并行運(yùn)算方法，重點(diǎn)分析在不同溫度和應(yīng)力作用下碳納米管表面不定型聚乙烯分子的徑向分布函數(shù)（Radial Distribution Function， RDF）和取向分布函數(shù)的變化規(guī)律，同時利用計算機(jī)軟件VMD觀察界面形貌[9]，更深入地了解碳納米管/不定型聚乙烯復(fù)合材料界面的形成機(jī)理，找出對體系結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響的關(guān)鍵因素并預(yù)測復(fù)合材料的機(jī)械性質(zhì)，為新材料的設(shè)計和制造提供理論指導(dǎo).

4 結(jié) 論

利用分子動力學(xué)數(shù)值仿真方法研究溫度及拉伸應(yīng)力對碳納米管/不定型聚乙烯界面構(gòu)型的影響，主要結(jié)論如下：

（1）在不同溫度時，不定型聚乙烯在碳納米管表面均形成兩個吸附層，溫度從600 K降低到50 K時，第一層吸附層逐步向碳納米管靠近，距離由10.216 變?yōu)?.216 .

（2）第一吸附層的RDF值和局部取向參數(shù)都隨著溫度的降低而升高，在溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的RDF值和取向參數(shù)分別提高140%和119%.

（3）在低溫時，整體取向參數(shù)隨應(yīng)變的增加而增加，應(yīng)變?yōu)?～0.24時，高分子鏈整體取向參數(shù)提高19%.整體取向參數(shù)的變化與應(yīng)力遞增的趨勢保持一致.

參考文獻(xiàn)：

[1]

IIJIMA S. Helical microtubules of graphitic carbon[J]. Nature， 1991（354）： 56-58.

[2] CADEK M，COLEMAN J N， RYAN K P， et al. Reinforcement of polymers with carbon nanotubes： the role of nanotube surface area[J]. Nano Lett， 2004， 4（2）： 353-356.

[3] LORDI V， YAO N. Molecular mechanics of binding in carbon nanotube-polymer composites[J]. J Mat Res， 2000， 15（12）： 2270-2779.

[4] CADEK M， COLEMAN J， BARRON V， et al. Morphological and mechanical properties of carbon-nanotube-reinforced semicrystalline and amorphous polymer composites[J]. Appl Phys Lett， 2002， 81（27）： 5123-5125.

[5] YANG Hua， LIU Yu， ZHANG Hui， et al. Diffusion of single alkane molecule in carbon nanotube studied by molecular dynamics simulation[J]. Polymer， 2006， 47（21）： 7607-7610.

[6] 王禹， 章林溪. 外力誘導(dǎo)吸附高分子單鏈的拉伸分子動力學(xué)研究[J]. 物理學(xué)報， 2008， 57（5）： 3281-3286.

WANG Yu， ZHANG Linxi. Steered molecular dynamics investigation of force-induced detachment of adsorbed single polymer chains[J]. Acta Physica Sinica， 2008， 57（5）： 3281-3286.

[7] 劉佳， 趙莉， 呂中元. 聚乙烯鏈在碳納米管側(cè)壁吸附的動力學(xué)模擬研究[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報， 2008， 29（12）： 2389-2392.

LIU Jia， ZHAO Li， LYU Zhongyuan. Molecular dynamics simulation of adsorption of a polyethylene chain on carbon nanotube[J]. Chem J Chin Universities， 2008， 29（12）： 2389-2392.

[8] PLIMPTON S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics[J]. J Comput Phys， 1995， 117（1）： 1-19.

[9] HUMPHREY W， DALKE A， SCHULTEN K. VMD-visual molecular dynamics[J]. J Molec Graphics， 1996， 14（1）： 33-38.

[10] BRENNER D W， SHENDEROVA O A， HARRISON J A， et al. A second-generation Reactive Empirical Bond Order（REBO） potential energy expression for hydrocarbons[J]. J Phys： Condensed Mat， 2002， 14（4）： 783-802.endprint

摘要：為研究在應(yīng)力場和溫度場作用下碳納米管/不定型聚乙烯復(fù)合材料界面基體分子取向的變化歷程，建立對應(yīng)的復(fù)合材料分子模型.利用經(jīng)典分子動力學(xué)的模擬方法，在對不同溫度場碳納米管表面高分子徑向分布函數(shù)（Radial Distribution Function， RDF）分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析溫度和拉伸應(yīng)力對界面處基體分子取向參數(shù)的影響規(guī)律.結(jié)果表明：當(dāng)溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的徑向分布函數(shù)值和取向參數(shù)值分別提高140%和119%；當(dāng)溫度為50 K時，對復(fù)合材料施加0.01 ps-1的應(yīng)變速率，當(dāng)應(yīng)變從0增加到0.24時，高分子鏈整體取向參數(shù)值提高19%.

關(guān)鍵詞：碳納米管； 聚乙烯； 分子動力學(xué)模擬； 取向參數(shù)； 徑向分布函數(shù)

中圖分類號： TB383

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

自1991年問世以來，碳納米管[1]因其卓越的力學(xué)性能和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)被作為理想的填充材料廣泛應(yīng)用于高分子復(fù)合材料.大量研究表明將碳納米管加入高分子基體材料中可有效增強(qiáng)高分子復(fù)合材料的機(jī)械性能[2-4]，但是碳納米管/高分子復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理仍存在諸多疑問，吸引大量科技工作者在該領(lǐng)域開展科學(xué)研究.眾所周知，碳納米管與高分子基體材料之間的界面性質(zhì)對整個體系的機(jī)械性質(zhì)有決定性的影響，因此，對該類材料界面性狀的研究成為解開其增強(qiáng)機(jī)理的關(guān)鍵所在.近幾年的研究表明，碳納米管的加入對周邊高分子的構(gòu)象、結(jié)晶行為及取向參數(shù)等有明顯影響[5-7]：當(dāng)碳納米管周圍聚合物呈現(xiàn)螺旋形貌時非常有利于復(fù)合材料界面強(qiáng)度的提高[3]；當(dāng)周邊高分子呈現(xiàn)有序晶態(tài)時復(fù)合材料的彈性模量顯著提高，反之則界面強(qiáng)度非常差[4].

目前，關(guān)于高分子復(fù)合材料的界面形貌對本身機(jī)械性能和物理性能的影響有相關(guān)報道，但界面形貌的形成因素還有待于深入研究.本文主要利用經(jīng)典分子動力學(xué)軟件LAMMPS[8]，采用并行運(yùn)算方法，重點(diǎn)分析在不同溫度和應(yīng)力作用下碳納米管表面不定型聚乙烯分子的徑向分布函數(shù)（Radial Distribution Function， RDF）和取向分布函數(shù)的變化規(guī)律，同時利用計算機(jī)軟件VMD觀察界面形貌[9]，更深入地了解碳納米管/不定型聚乙烯復(fù)合材料界面的形成機(jī)理，找出對體系結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響的關(guān)鍵因素并預(yù)測復(fù)合材料的機(jī)械性質(zhì)，為新材料的設(shè)計和制造提供理論指導(dǎo).

4 結(jié) 論

利用分子動力學(xué)數(shù)值仿真方法研究溫度及拉伸應(yīng)力對碳納米管/不定型聚乙烯界面構(gòu)型的影響，主要結(jié)論如下：

（1）在不同溫度時，不定型聚乙烯在碳納米管表面均形成兩個吸附層，溫度從600 K降低到50 K時，第一層吸附層逐步向碳納米管靠近，距離由10.216 變?yōu)?.216 .

（2）第一吸附層的RDF值和局部取向參數(shù)都隨著溫度的降低而升高，在溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的RDF值和取向參數(shù)分別提高140%和119%.

（3）在低溫時，整體取向參數(shù)隨應(yīng)變的增加而增加，應(yīng)變?yōu)?～0.24時，高分子鏈整體取向參數(shù)提高19%.整體取向參數(shù)的變化與應(yīng)力遞增的趨勢保持一致.

參考文獻(xiàn)：

[1]

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[2] CADEK M，COLEMAN J N， RYAN K P， et al. Reinforcement of polymers with carbon nanotubes： the role of nanotube surface area[J]. Nano Lett， 2004， 4（2）： 353-356.

[3] LORDI V， YAO N. Molecular mechanics of binding in carbon nanotube-polymer composites[J]. J Mat Res， 2000， 15（12）： 2270-2779.

[4] CADEK M， COLEMAN J， BARRON V， et al. Morphological and mechanical properties of carbon-nanotube-reinforced semicrystalline and amorphous polymer composites[J]. Appl Phys Lett， 2002， 81（27）： 5123-5125.

[5] YANG Hua， LIU Yu， ZHANG Hui， et al. Diffusion of single alkane molecule in carbon nanotube studied by molecular dynamics simulation[J]. Polymer， 2006， 47（21）： 7607-7610.

[6] 王禹， 章林溪. 外力誘導(dǎo)吸附高分子單鏈的拉伸分子動力學(xué)研究[J]. 物理學(xué)報， 2008， 57（5）： 3281-3286.

WANG Yu， ZHANG Linxi. Steered molecular dynamics investigation of force-induced detachment of adsorbed single polymer chains[J]. Acta Physica Sinica， 2008， 57（5）： 3281-3286.

[7] 劉佳， 趙莉， 呂中元. 聚乙烯鏈在碳納米管側(cè)壁吸附的動力學(xué)模擬研究[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報， 2008， 29（12）： 2389-2392.

LIU Jia， ZHAO Li， LYU Zhongyuan. Molecular dynamics simulation of adsorption of a polyethylene chain on carbon nanotube[J]. Chem J Chin Universities， 2008， 29（12）： 2389-2392.

[8] PLIMPTON S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics[J]. J Comput Phys， 1995， 117（1）： 1-19.

[9] HUMPHREY W， DALKE A， SCHULTEN K. VMD-visual molecular dynamics[J]. J Molec Graphics， 1996， 14（1）： 33-38.

[10] BRENNER D W， SHENDEROVA O A， HARRISON J A， et al. A second-generation Reactive Empirical Bond Order（REBO） potential energy expression for hydrocarbons[J]. J Phys： Condensed Mat， 2002， 14（4）： 783-802.endprint

摘要：為研究在應(yīng)力場和溫度場作用下碳納米管/不定型聚乙烯復(fù)合材料界面基體分子取向的變化歷程，建立對應(yīng)的復(fù)合材料分子模型.利用經(jīng)典分子動力學(xué)的模擬方法，在對不同溫度場碳納米管表面高分子徑向分布函數(shù)（Radial Distribution Function， RDF）分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析溫度和拉伸應(yīng)力對界面處基體分子取向參數(shù)的影響規(guī)律.結(jié)果表明：當(dāng)溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的徑向分布函數(shù)值和取向參數(shù)值分別提高140%和119%；當(dāng)溫度為50 K時，對復(fù)合材料施加0.01 ps-1的應(yīng)變速率，當(dāng)應(yīng)變從0增加到0.24時，高分子鏈整體取向參數(shù)值提高19%.

關(guān)鍵詞：碳納米管； 聚乙烯； 分子動力學(xué)模擬； 取向參數(shù)； 徑向分布函數(shù)

中圖分類號： TB383

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

自1991年問世以來，碳納米管[1]因其卓越的力學(xué)性能和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)被作為理想的填充材料廣泛應(yīng)用于高分子復(fù)合材料.大量研究表明將碳納米管加入高分子基體材料中可有效增強(qiáng)高分子復(fù)合材料的機(jī)械性能[2-4]，但是碳納米管/高分子復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理仍存在諸多疑問，吸引大量科技工作者在該領(lǐng)域開展科學(xué)研究.眾所周知，碳納米管與高分子基體材料之間的界面性質(zhì)對整個體系的機(jī)械性質(zhì)有決定性的影響，因此，對該類材料界面性狀的研究成為解開其增強(qiáng)機(jī)理的關(guān)鍵所在.近幾年的研究表明，碳納米管的加入對周邊高分子的構(gòu)象、結(jié)晶行為及取向參數(shù)等有明顯影響[5-7]：當(dāng)碳納米管周圍聚合物呈現(xiàn)螺旋形貌時非常有利于復(fù)合材料界面強(qiáng)度的提高[3]；當(dāng)周邊高分子呈現(xiàn)有序晶態(tài)時復(fù)合材料的彈性模量顯著提高，反之則界面強(qiáng)度非常差[4].

目前，關(guān)于高分子復(fù)合材料的界面形貌對本身機(jī)械性能和物理性能的影響有相關(guān)報道，但界面形貌的形成因素還有待于深入研究.本文主要利用經(jīng)典分子動力學(xué)軟件LAMMPS[8]，采用并行運(yùn)算方法，重點(diǎn)分析在不同溫度和應(yīng)力作用下碳納米管表面不定型聚乙烯分子的徑向分布函數(shù)（Radial Distribution Function， RDF）和取向分布函數(shù)的變化規(guī)律，同時利用計算機(jī)軟件VMD觀察界面形貌[9]，更深入地了解碳納米管/不定型聚乙烯復(fù)合材料界面的形成機(jī)理，找出對體系結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響的關(guān)鍵因素并預(yù)測復(fù)合材料的機(jī)械性質(zhì)，為新材料的設(shè)計和制造提供理論指導(dǎo).

4 結(jié) 論

利用分子動力學(xué)數(shù)值仿真方法研究溫度及拉伸應(yīng)力對碳納米管/不定型聚乙烯界面構(gòu)型的影響，主要結(jié)論如下：

（1）在不同溫度時，不定型聚乙烯在碳納米管表面均形成兩個吸附層，溫度從600 K降低到50 K時，第一層吸附層逐步向碳納米管靠近，距離由10.216 變?yōu)?.216 .

（2）第一吸附層的RDF值和局部取向參數(shù)都隨著溫度的降低而升高，在溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的RDF值和取向參數(shù)分別提高140%和119%.

（3）在低溫時，整體取向參數(shù)隨應(yīng)變的增加而增加，應(yīng)變?yōu)?～0.24時，高分子鏈整體取向參數(shù)提高19%.整體取向參數(shù)的變化與應(yīng)力遞增的趨勢保持一致.

參考文獻(xiàn)：

[1]

IIJIMA S. Helical microtubules of graphitic carbon[J]. Nature， 1991（354）： 56-58.

[2] CADEK M，COLEMAN J N， RYAN K P， et al. Reinforcement of polymers with carbon nanotubes： the role of nanotube surface area[J]. Nano Lett， 2004， 4（2）： 353-356.

[3] LORDI V， YAO N. Molecular mechanics of binding in carbon nanotube-polymer composites[J]. J Mat Res， 2000， 15（12）： 2270-2779.

[4] CADEK M， COLEMAN J， BARRON V， et al. Morphological and mechanical properties of carbon-nanotube-reinforced semicrystalline and amorphous polymer composites[J]. Appl Phys Lett， 2002， 81（27）： 5123-5125.

[5] YANG Hua， LIU Yu， ZHANG Hui， et al. Diffusion of single alkane molecule in carbon nanotube studied by molecular dynamics simulation[J]. Polymer， 2006， 47（21）： 7607-7610.

[6] 王禹， 章林溪. 外力誘導(dǎo)吸附高分子單鏈的拉伸分子動力學(xué)研究[J]. 物理學(xué)報， 2008， 57（5）： 3281-3286.

WANG Yu， ZHANG Linxi. Steered molecular dynamics investigation of force-induced detachment of adsorbed single polymer chains[J]. Acta Physica Sinica， 2008， 57（5）： 3281-3286.

[7] 劉佳， 趙莉， 呂中元. 聚乙烯鏈在碳納米管側(cè)壁吸附的動力學(xué)模擬研究[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報， 2008， 29（12）： 2389-2392.

LIU Jia， ZHAO Li， LYU Zhongyuan. Molecular dynamics simulation of adsorption of a polyethylene chain on carbon nanotube[J]. Chem J Chin Universities， 2008， 29（12）： 2389-2392.

[8] PLIMPTON S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics[J]. J Comput Phys， 1995， 117（1）： 1-19.

[9] HUMPHREY W， DALKE A， SCHULTEN K. VMD-visual molecular dynamics[J]. J Molec Graphics， 1996， 14（1）： 33-38.

[10] BRENNER D W， SHENDEROVA O A， HARRISON J A， et al. A second-generation Reactive Empirical Bond Order（REBO） potential energy expression for hydrocarbons[J]. J Phys： Condensed Mat， 2002， 14（4）： 783-802.endprint