聚合物纳米复合材料拉伸与剪切形变下的微观结构演变的分子动力学模拟研究

The characterization of the micro-structural evolution of polymer nanocomposites (PNCs) under the deformations, which is the precondition and foundation of understanding the quantitative structure-property relation, cannot be real-time traced by traditional experimental tools such as SEM, TEM, and AFM etc. In order to understand how the micro-structures change to influence the macro-properties, this project is expected to investigate the micro-structural evolution of PNCs under the tensile deformation and shear deformation using the molecular dynamics simulation method. In this project, the atomistic and coarse-grained models of PNCs filled with different nanoparticles such as spherical carbon black or silica, graphene sheets and carbon nanotubes will be established. Various micro-structures in the PNCs such as the filler network structure, fractal nanostructure of fillers and filler network mediated by polymer segments will be characterized systematically and comprehensively. By performing the tensile deformation and shear deformation through the non-equilibrium molecular dynamics simulations (NEMD), the micro-structural evolution is hoped to be real-time on-line monitored. Therefore, by combining the changes of micro-structure with the macro-properties, the quantitative or qualitative structure-property relation will be investigated. This project may shed some light on how to solve the structure-property relation problem to predict the macro-properties of PNCs, and is believed to provide some guidance on optimizing the macro-properties of PNCs.

实时追踪聚合物纳米复合材料形变过程中其微观结构的演变是高分子材料科学中一直未能解决的科学难题，是探索和研究材料微观结构和宏观性能之间的定量关系的前提和基础，而传统的实验表征手段是很难触及材料微观结构演变的。本项目通过建立不同形状的填料填充的聚合物纳米复合材料的全原子及粗粒度模型，采用分子动力学模拟方法对聚合物纳米复合材料在拉伸和剪切下的微观结构演变进行研究。通过表征出模拟体系中存在的各种微观结构包括填料网络结构、填料聚集体分形结构、分子链搭建的远程填料网络结构等，实时追踪这些微观结构在简单形变以及动态形变过程中是如何演变的，并确定这些微观结构在外力形变下的稳定性差异。从而找出模拟体系的微观结构演变与宏观表现之间的有效关联，提出一个解释和预测材料宏观性能的且普适度高的理论模型，为优化聚合物纳米复合材料的宏观力学性能提供科学的理论指导。

聚合物纳米复合材料形变过程中的微观结构演变是探索和研究材料微观结构和宏观性能之间的定量关系的前提和基础，而传统的实验表征手段是很难触及材料微观结构演变的。本项目通过建立聚合物纳米复合材料的粗粒度模型，运用平衡态与非平衡态的分子动力学模拟，研究了聚合物纳米复合材料的微观结构及其在形变过程中的演变行为，同时也研究了微观结构对材料的力学、粘弹性能的影响。详细探讨了聚合物接枝的纳米棒在聚合物基体中的分散行为及其机理，并进一步深入研究了纳米棒填充的聚合物纳米复合材料的力学、粘弹性能，细致地表征了聚合物纳米复合材料在形变过程的微观结构演变；通过建立交联的聚合物网络，详细地研究了交联密度及分布对于聚合物网络的静态结构、动态结构的影响，探索了其对于聚合物的力学、粘弹性能的影响。结果表明增加接枝密度、接枝分子链长均能诱导接枝链从“蘑菇型”到“刷子型”的构型转变，改善了纳米棒的分散状态；通过改变接枝链与本体链之间的相容性，纳米棒出现了三种分散状态：即纳米棒与聚合物之间的相分离、纳米棒的均匀分散、以及纳米棒通过本体链连接的长程连接状态（润湿刷子的“干化”）；非线性粘弹性如Payne效应主要是由局部填料网络结构的破坏所引起的，如纳米棒之间通过点对点的接触结构的破坏；增加交联点分布状态等效于增加交联密度，化学交联会破坏聚合物在整链尺度上的时温等效。通过本项目的研究，较为详细地表征了聚合物纳米复合材料中的微观结构及其在形变过程中的演变行为，找出了微观结构演变与宏观表现之间的有效关联，能够为聚合物纳米复合材料体系的制备和加工提供一定的理论指导。