碳納米管/聚乙烯界面分子構(gòu)型的數(shù)值仿真

阮詩倫　孫本強　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

文獻標志碼：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高分子復(fù)合材料的機械性能[2-4]，但是碳納米管/高分子復(fù)合材料的增強機理仍存在諸多疑問，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機理的關(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]，采用并行運算方法，重點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：

[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

文獻標志碼：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高分子復(fù)合材料的機械性能[2-4]，但是碳納米管/高分子復(fù)合材料的增強機理仍存在諸多疑問，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機理的關(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]，采用并行運算方法，重點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：

[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)校化學(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

文獻標志碼：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高分子復(fù)合材料的機械性能[2-4]，但是碳納米管/高分子復(fù)合材料的增強機理仍存在諸多疑問，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機理的關(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]，采用并行運算方法，重點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：

[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.

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[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)校化學(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