聚合物基质中纳米颗粒间有效作用势及相行为的分子动力学研究

摘要

复合材料的研究是材料学研究中的热点问题，由于纳米材料具有优良的热学、电学、力学和化学性能，因此如何将纳米材料与聚合物材料充分混合制备优良性能的复合材料引起了广泛的学术研究和工艺研究。聚合物属于有机材料而纳米颗粒属于无机材料，两者具有极为不同的性质。将纳米颗粒掺杂入聚合物基中，弥补聚合物的不足之处，合成的纳米复合材料具有高折射率，强荧光性等优良性能。这些优良性能极大地扩展了传统聚合物材料的实际应用。因此，这就要求研究人员对聚合物纳米复合材料进行更深入的研究。
　　本文通过分子动力学模拟方法，系统地研究了在聚合物基质中纳米颗粒之间的相互作用。我们首先研究了在绝热系统中，也就是系统中的相互作用为熵驱动时，纳米颗粒间有效作用势是波动式的随着纳米颗粒间距逐渐增加而削减的，这主要是因为自由单体在纳米颗粒附近短程有序排列。而对于聚合物链，由于连接相邻单体的共价键的存在，所以单体之间会存在一种内在的关联，这使得由聚合物链所激发的纳米颗粒之间的有效相互作用与由自由单体所激发的有效作用势有很大不同。在聚合物处于稀释状态时，纳米颗粒之间仅存在吸引作用势，吸引作用势的作用范围相当于聚合物链的回旋半径。随着聚合物浓度逐渐增加，纳米颗粒间的吸引作用势逐渐增强，但作用范围逐渐减小。当聚合物浓度达到聚合物链重叠状态时，纳米颗粒间除了存在短程吸引作用势还存在很小的排斥作用势。最后我们研究了聚合物与纳米颗粒间存在吸引相互作用（焓相互作用）的体系。通过聚合物与纳米颗粒的相互吸引，聚合物单体被吸引在纳米颗粒表面。随着吸引作用增强时，纳米颗粒间的吸引作用会减弱并逐渐转化为排斥力。当聚合物与纳米颗粒的吸引强度进一步增加，聚合物单体会紧紧的吸附在纳米颗粒表面，使纳米颗粒有效直径增加。纳米颗粒间距较小时纳米颗粒的有效作用势为排斥作用，纳米颗粒间距较远时，类似于在绝热系统中，表现为较弱的吸引作用。
　　通过本文研究，深入理解了在聚合物基中，纳米颗粒间有效作用势随着聚合物基质浓度、聚合物链长、以及纳米颗粒与聚合物单体之间的吸引强度等因素的改变而变化。尤其当纳米颗粒与聚合物单体有吸引作用时，纳米颗粒会因焓作用的逐渐增强发生分散相与聚集相之间的转变，了解转变过程的定量关系将有助于控制纳米颗粒在聚合物基质的均匀分布。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景介绍

1．2 聚合物简介

1．2．1 聚合物分类

1．2．2 聚合物链的状态

1．3 本论文的目的和内容

1．3．1 论文研究目的

1．3．2 论文研究内容

第二章 分子动力学模拟

2．1 分子模拟概论

2．2 分子动力学模拟

2．2．1 分子动力学模拟基本原理

2．2．2 分子动力学模拟数值算法

2．2．3 分子动力学模拟势函数

2．2．4 分子动力学模拟系综

2．2．5 分子动力学模拟基本步骤

2．3 计算机模拟软件

2．3．1 LAMMPS软件

2．3．2 其他主流软件

第三章 绝热系统中纳米颗粒间二体有效作用势

3．1 参量设定

3．2 模型建立

3．3 绝热体系中纳米颗粒间二体有效作用势

3．3．1 自由单体所引发的有效作用势

3．3．2 纳米颗粒周围自由单体二维概率分布

3．3．3 聚合物链长N=64时所引发的有效作用势

3．3．4 纳米颗粒周围聚合物单体二维概率分布

第四章 吸引作用体系中纳米颗粒二体有效作用势及相行为

4．1 引言

4．2 纳米颗粒间二体有效作用势

4．3 纳米颗粒周围聚合物单体二维概率分布

4．4 纳米颗粒在聚合物基体中的相行为

第五章 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果

致谢