一種樹脂金剛石復(fù)合材料的分子動(dòng)力學(xué)模擬

梁火昌

（桂林信息科技學(xué)院，廣西 桂林）

引言

在傳統(tǒng)的微細(xì)樹脂金剛石砂輪加工過程中，存在材料嚴(yán)重浪費(fèi)、形成困難和金剛石磨粒分布不均勻等問題。為了解決這些問題，本文研究一種用于制備微細(xì)砂輪的樹脂金剛石復(fù)合材料，利用熔融沉積成型技術(shù)直接打印出性能良好的微細(xì)砂輪。

ABS 是熱塑性材料，具有強(qiáng)度高、耐熱性好的特點(diǎn)。劉娟對(duì)ABS 進(jìn)行改性，添加PVC 和相容劑，研究出一種具有高沖擊強(qiáng)度的ABS/PVC 合金[1]。臺(tái)啟樂將不同配比的ABS、PVC 進(jìn)行共混，熱壓成型制備出拉伸強(qiáng)度良好的ABS/PVC 合金[2]。DOP 作為增塑劑，有利于降低ABS 和PVC 分子鏈的聚集作用，提高復(fù)合材料的成型加工性能[3]。

基于前人的研究，本文研究一種可用FDM 技術(shù)直接打印微細(xì)砂輪的樹脂金剛石復(fù)合材料，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，觀察復(fù)合材料的分子構(gòu)象，并比較不同配比的材料密度、內(nèi)聚能密度、徑向分布函數(shù)、力學(xué)性能、相容性等，優(yōu)選出共混體系的最佳配比。

1 計(jì)算模型

1.1 成分和比例

用于制造砂輪的樹脂金剛石復(fù)合材料由46.3～62.5wt%ABS、18.6～26.6wt%PVC、8.3～11.8wt%DOP 和10.6～15.3wt%金剛石磨粒組成，為了優(yōu)選出共混體系的最佳成分配比，復(fù)合材料分5 個(gè)組別進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，如表1 所示。

表1 具有不同質(zhì)量配比的樹脂金剛石復(fù)合材料

1.2 建立模型

利用Materials Studio 分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，建立樹脂金剛石復(fù)合材料模型。首先，對(duì)各成分進(jìn)行分子建模，在Amorphous Cell 模塊[4]中將各種成分共混得到初始晶胞[5]。然后利用Discover 模塊運(yùn)行一次298K的NVT 分子動(dòng)力學(xué)平衡，接著在493K，2Gpa 和483K，2Gpa 的條件下運(yùn)行NPT 分子動(dòng)力學(xué)平衡，得到結(jié)構(gòu)致密的復(fù)合材料平衡晶胞[6]。

2 模擬討論

2.1 構(gòu)象和密度

在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，不同配比的樹脂金剛石復(fù)合材料的初始晶胞密度均設(shè)為0.1 g/cm3，初始晶胞的ABS 分子鏈、PVC分子鏈、DOP 分子以及金剛石顆粒均比較分散，平衡過程中由于晶胞受壓體積變小，晶胞中ABS 分子鏈與PVC 分子鏈相互纏結(jié)，DOP 分子以其極性酯基-COO-嵌入分子鏈中，金剛石磨粒則被ABS 分子鏈和PVC 分子鏈纏繞。

經(jīng)過NPT 平衡過后，配比1～配比5 的復(fù)合材料晶胞密度分別為1.36 g/cm3、1.34 g/cm3、1.33 g/cm3、1.31 g/cm3、1.30 g/cm3，晶胞密度依次變小。這是因?yàn)锳BS 質(zhì)量比逐漸提高，與之相互吸引的PVC 極性基團(tuán)C-CL 的相對(duì)數(shù)量減少，兩者纏結(jié)率降低。另一方面，金剛石磨粒的密度最大，金剛石質(zhì)量比的下降也會(huì)導(dǎo)致晶胞密度變小。

2.2 內(nèi)聚能密度

在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，分子間作用力大小可用內(nèi)聚能密度反映[7]。復(fù)合體系的內(nèi)聚能密度越大，表示分子中所含基團(tuán)的極性越大，極性基團(tuán)的相互吸引作用就越強(qiáng)，分子間相互作用力就越大。圖1展示了不同配比的樹脂金剛石復(fù)合材料的內(nèi)聚能密度，可以看出，配比1～配比5 的復(fù)合材料的內(nèi)聚能密度依次升高，各組別的內(nèi)聚能密度均大于400 J/cm3，說明材料具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，分子間作用力由較強(qiáng)的氫鍵起作用。結(jié)果表明：提高ABS 的質(zhì)量比，有利于氫鍵的形成，使得復(fù)合材料的分子間相互作用增強(qiáng)，分子內(nèi)部緊密結(jié)合。

圖1 不同配比的復(fù)合材料內(nèi)聚能密度

2.3 徑向分布函數(shù)

在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，徑向分布函數(shù)[8]可用于研究復(fù)合體系的分子間作用力表現(xiàn)形式，當(dāng)其特征峰出現(xiàn)在2.6?～3.1? 區(qū)間時(shí)，分子間作用力主要是氫鍵；特征峰出現(xiàn)在3.1?～5? 區(qū)間時(shí)，分子間作用力為范德華力；特征峰出現(xiàn)在5? 以外時(shí)，則是靜電力起主要作用。

利用Materials Studio 軟件的Forcite 模塊將配比1～配比5 的金剛石磨粒的碳原子分別標(biāo)記為A1、A2、A3、A4、A5，同組中其他所有原子分別標(biāo)記為B1、B2、B3、B4、B5，金剛石磨粒的碳原子與其他原子的徑向分布函數(shù)如圖2 所示。結(jié)果表明，各組別在2.6?～3.1?區(qū)間和3.1?～5? 區(qū)間均未出現(xiàn)特征峰，說明不是氫鍵和范德華力起主要作用。5? 以外g（r）值逐漸增大，說明金剛石磨粒與其他分子通過靜電力相互吸引，配比5 的g（r）值最大，分子間靜電力最強(qiáng)。

2.4 機(jī)械性能

利用Forcite 模塊分析樹脂金剛石復(fù)合材料的力學(xué)性能，包括彈性模量(E)、剪切模量(K)、體積模量(G)、泊松比(v)和K/G 值。如圖3 所示，不同配比的復(fù)合材料彈性模量E 介于8.26 GPa～12.75 GPa 區(qū)間，相比于純ABS（E 約為2.2 GPa）和純PVC（E 約為3.5 GPa）均有所提高，泊松比介于0.26～0.37 區(qū)間，相比于純ABS(v 約為0.39)有所降低。從圖3 可看出，配比1、配比3 和配比5 的復(fù)合材料彈性模量E 較大，剛度和脆性較好。泊松比v 和K/G 值按配比1～配比5 的順序先減小后增加，說明柔性和延展性先減小后增加。這為ABS/PVC/DOP/金剛石磨粒復(fù)合體系的配比提供一個(gè)有價(jià)值的參考。

圖3 不同配比的復(fù)合材料機(jī)械性能

2.5 共混相容性

在ABS/PVC/DOP/金剛石磨粒復(fù)合體系中，其主要成分為ABS 和PVC，因此這兩種成分的共混相容性對(duì)復(fù)合材料的共混相容性起決定性作用。在ABS/PVC 體系中，有ABS-ABS、PVC-PVC、ABS-PVC 三種結(jié)合能，這三種結(jié)合能越接近，則體系的相容性越好。利用Blends 模塊在298K 模擬溫度下對(duì)5 種配比的ABS/PVC 體系進(jìn)行共混相容性模擬試驗(yàn)，從圖4可以看出，各個(gè)組別中ABS-ABS、PVCPVC、ABS-PVC 三條結(jié)合能曲線接近程度大小順序?yàn)椋号浔?>配比5>配比2>配比3>配比4。結(jié)果表明提高ABS 的質(zhì)量比，ABS/PVC 體系的相容性先減小后增加。

圖4 不同配比的ABS/PVC 結(jié)合能曲線

3 結(jié)論

本文對(duì)5 種不同配比的ABS/PVC/DOP/金剛石磨粒復(fù)合材料進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，結(jié)果顯示：提高ABS 的質(zhì)量比，復(fù)合材料分子間作用力逐漸增強(qiáng)，密度逐漸降低，延展性和柔性先減小后增加，ABS/PVC 體系的相容性先減小后增加。根據(jù)模擬結(jié)果，得到復(fù)合材料最佳配比為62.5wt%ABS、18.6wt%PVC、8.3wt%DOP 和10.6wt%金剛石磨粒，這對(duì)制備用FDM 技術(shù)直接打印微細(xì)砂輪的樹脂金剛石復(fù)合材料提供了一個(gè)重要的參考。