石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及拉伸過程的分子模擬研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及拉伸過程的分子模擬研究本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)摘要本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)Abstractthedegreeofbendingofpolyethylenedecreases,andthepolyethylene’smotivitywas本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 4.3本章小結(jié)28 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)致謝 31 1他材料的趨勢(shì)。制備結(jié)構(gòu)單元(小分子)在一定條件下聚合得到。高分子材料自賽璐珞材料成功合成是一P2高聚物自身一些缺點(diǎn)(耐熱性差、強(qiáng)度不足、易于老化等)的暴露，傳統(tǒng)的高聚法在聚合物添加某些與基體不同的物質(zhì)使得材料性能得到相應(yīng)改善或增加其它體組成和結(jié)構(gòu)不同的固體物質(zhì))加入聚合物基體中起到降低成本或改善聚合物材料加工性能或使聚合物基體獲得某些特殊性能(阻燃、抗靜電等)的工藝方法3，使石墨烯已知的最硬的材料；如何制備石墨烯-聚合物納米復(fù)合材料就成為了材料領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。隨著石墨烯的各種制備技術(shù)的不斷升級(jí)和以納米粒子作為填充材料的工藝逐步4科研人員發(fā)明了以下幾種制備方法：熔融共混法(最為經(jīng)濟(jì)，但石墨烯的分散性很差)、溶液共混法(石墨烯分散穩(wěn)定、均勻)、原位聚合法(作用力大、分散均勻)、乳液混合(操作簡(jiǎn)單，但影響純度)、電化學(xué)法等[11]。石墨烯對(duì)聚合物的增聚，故選擇石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料作為研究對(duì)象對(duì)石墨烯-聚合物納米復(fù)了5度 (約20兆帕)和彈性模量(約600兆帕)以及延伸率(約70％)。由于這種材石墨烯分散在聚乙二醇(PEG)基體中形成復(fù)合材料，以溫度和聚合物分子量為FengLiu等[17]分別對(duì)以聚乙烯(PE)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為基機(jī)械性能，以石墨烯(GR)表面狀態(tài)、基體類型、聚合物鏈的長(zhǎng)度以及石墨烯對(duì)6附功的影響作了分子動(dòng)力學(xué)模擬研究。具體采用胺基(NH2)，羧基(COOH)，羥基(OH)和甲基(CH3)等官能團(tuán)修飾石墨烯并隨機(jī)分布。模擬結(jié)果顯示官E電負(fù)性和范德華力對(duì)PE與官能化石墨烯間的的熱力學(xué)吸附功發(fā)揮著影面密度增加而增大,但無極性的甲基特征可通過均方位移(MSD)表征。在PE/石墨烯綜上所述，石墨烯-聚乙烯納米復(fù)合材料是目前的一大研究熱點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)方法從原子水平上研究石墨烯-聚乙烯(GN-PE)復(fù)合材料的微觀機(jī)理、界面特性以及探討石墨烯分布對(duì)聚乙烯(PE)復(fù)合材料性能的影響機(jī)制是非常困難的。處作者針對(duì)石墨烯-聚合物的物理性能做了很多工作，但是關(guān)于其力學(xué)性能的理論7擬方法對(duì)石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料進(jìn)行理論研究。本文建立了含有石墨烯的聚乙2.利用單軸拉伸模擬方法對(duì)對(duì)單、雙石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料模型以及純聚8ion牛頓力學(xué)方程(確定性方程)得到粒子的軌跡或位置，提供模型的微觀結(jié)構(gòu)信息和物性。在具體的計(jì)算過程中，分子動(dòng)力學(xué)[21]常常將分子力學(xué)[22]結(jié)合使用，在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)之前作模型的力學(xué)平衡。分子動(dòng)力學(xué)模擬(MDSimulation)是一種計(jì)算經(jīng)典多體體系的傳質(zhì)性質(zhì)和Fitmiait1)92.2相關(guān)軟件簡(jiǎn)介(1)MaterialsStudio(MS)軟件(2)Lammps[27]軟件(3)Ovito軟件第3章石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料平衡體系其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析有助于理解石墨烯的改性機(jī)理。本章對(duì)石墨烯-聚乙烯3.1模擬方法最終獲得石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料的三維周期性模型。聚乙烯的初始添加密度設(shè)-1單、雙層石墨烯-聚乙烯模型3.2結(jié)果與討論圖3-3三種體系經(jīng)過動(dòng)力學(xué)過程后的平衡構(gòu)型石墨烯片外側(cè)的第一層吸附層峰值(左側(cè)為1.72和右側(cè)為1.70)接近，而且與圖3-4復(fù)合材料沿石墨烯垂直方向的相對(duì)濃度分布圖a:單片層b:雙片層層來說較弱。第三層(圖3-5-c)出現(xiàn)幾個(gè)等大峰，說明第三吸附層內(nèi)分子不能穩(wěn)定存在，而是發(fā)生大規(guī)模的遷移。在體相(圖3-5-d)內(nèi)，分子能夠圖3-5單片層模型各個(gè)層內(nèi)相對(duì)濃度分布間的聚乙烯吸附層的穩(wěn)定性最好，石墨烯未發(fā)生遷移，保持穩(wěn)定(圖3-6-e)，這是由于雙片石墨烯阻隔了層間聚乙烯分子，使其不能與基體分子發(fā)生交換轉(zhuǎn)圖3-6雙片層模型的各個(gè)層內(nèi)相對(duì)濃度分布復(fù)合材料體系內(nèi)垂直于石墨烯片方向上聚乙烯分子的均方位移曲線(MSD)曲1N-1MSD=3Nii(3-1)i=0位移存在明顯差異，吸附層內(nèi)聚乙烯的MSD向的運(yùn)動(dòng)受到了很強(qiáng)的抑制。體圖3-7單片石墨烯-聚乙烯材料模型中聚乙烯在垂直于石墨烯方向的均方位移曲線圖3-8雙片層模型中聚乙烯的Z軸向均方位移曲線iiii圖3-9單片層模型吸附層內(nèi)聚乙烯分子回轉(zhuǎn)半徑分布圖3-10雙片層模型吸附層內(nèi)聚乙烯分子回轉(zhuǎn)半徑分布檢查縮放比例3.3本章小結(jié)(1)聚乙烯分子在石墨烯的作用下出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，吸附層的穩(wěn)定性(2)由于石墨烯的吸附作用，吸附層內(nèi)聚乙烯分子的運(yùn)動(dòng)性能受到抑制，(3)由于受到石墨烯的影響，吸附層內(nèi)聚乙烯分子的回轉(zhuǎn)半徑增大，分子第4章石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料拉伸性能4.1模擬方法前一章獲得的石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料平衡構(gòu)型，本章利用非平衡動(dòng)力方法在對(duì)模型軸向施加恒定應(yīng)變的同時(shí)，保證圖4-1單軸拉伸模擬方法s石墨烯方向(橫向)保持壓力恒定于一個(gè)大氣壓；拉伸模擬時(shí)間為2ns，最終應(yīng)變?yōu)?.2結(jié)果與討論擬后得到了如圖4-2所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖4-2可以看出，模擬得到的石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相-2單片層模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 得出結(jié)論：石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料模型在拉伸應(yīng)力下變形時(shí)，聚乙烯基體中的而逐漸變形。4-3單片層模型不同拉伸應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示。從圖中可以看出雙片石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料模型在前期同樣具有-4雙片層模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖4-5雙片層復(fù)合材料模型在不同應(yīng)變下的構(gòu)型聚乙烯基體的增強(qiáng)機(jī)制和失效機(jī)前，圖4-6拉伸下的單、雙層石墨烯復(fù)合材料模型自由體積分?jǐn)?shù)變化圖能量和應(yīng)力直圖4-7拉伸時(shí)單片層石墨烯-聚乙烯模型能量變化圖圖4-8拉伸時(shí)單片層模型中聚乙烯、石墨烯各部分能量變化圖能量主要由聚乙烯決圖4-9拉伸時(shí)雙片層石墨烯-聚乙烯模型能量變化圖圖4-10拉伸時(shí)雙片層模型中聚乙烯、石墨烯各部分能量變化圖由單、雙層石墨烯-聚乙烯模型拉伸時(shí)的能量變化分析可知：石墨烯片對(duì)聚單片石墨烯在基體中變得彎曲和雙片層模型中的材料斷裂都使得聚乙烯能量下降，進(jìn)而模型的應(yīng)力下降。4.3本章小結(jié)本章通過對(duì)單、雙片層石墨烯-聚乙烯模型進(jìn)行單軸拉伸模擬，獲得復(fù)合材料模型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并對(duì)拉伸過程中體系的結(jié)構(gòu)和能量進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)(1)石墨烯能夠影響聚乙烯復(fù)合材料體系的拉伸過程，顯著提高材料的屈(2)單片石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料在拉伸過程中沒有出現(xiàn)孔洞或斷裂現(xiàn)象，現(xiàn)了(3)在彈性區(qū)和屈服區(qū)，石墨烯能夠抑制垂直于拉伸方向模型的變形，從(4)通過能量分析可知，應(yīng)變主要影響了復(fù)合材料內(nèi)部聚乙烯基體分子間本文利用分子模擬方法，研究了石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并利用單軸拉伸模擬方法研究了石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料的拉伸性能，并從1.在石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料平衡構(gòu)型中，聚乙烯基體分子在石墨烯表面處2.石墨烯能夠影響聚乙烯復(fù)合材料體系的拉伸過程，顯著提高材料的屈服烯-聚乙烯復(fù)合材料在拉伸過程中沒有出現(xiàn)孔洞或斷裂現(xiàn)象，石墨烯發(fā)生劇烈彎曲變形；雙片石墨烯-聚乙烯復(fù)合材料在拉伸時(shí)出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，石墨烯未發(fā)生3.石墨烯能夠影響聚乙烯