POSS納米雜化材料納米壓痕的分子力學(xué)模擬.doc

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1、POSS納米雜化材料納米壓痕的分子力學(xué)模擬曾凡林孫毅李君胡恩來(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天科學(xué)與力學(xué)系，哈爾濱工業(yè)大學(xué)344信箱，150001)摘要：采用分子力學(xué)模擬方法研究了POSS納米雜化材料在方形壓頭納米壓痕下的力學(xué)行為。首先建立了高分子材料的長(zhǎng)鏈單分子模型和多分子納米壓痕模擬模型。采用“隨機(jī)行走”法建立開環(huán)單長(zhǎng)鏈分子的分子鏈骨架，采用“定向行走”法建立閉環(huán)結(jié)構(gòu)的分子鏈骨架。研究了丙基POSS聚苯乙烯納米雜化材料和普通的聚苯乙烯材料在納米壓痕下的載荷—位移關(guān)系及結(jié)構(gòu)變化。研究結(jié)果表明：1、兩種材料在模擬中，載荷都隨著位移的增加呈現(xiàn)鋸齒狀的增加過程。2、結(jié)合載荷—位移曲線和形變分析，提出了一種高分

2、子材料在納米壓痕分子模擬下硬度的計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果表明少量的POSS能使高分子材料的硬度提高50%以上。3、提出了一種表征聚合物硬度與壓痕深度關(guān)系的公式，實(shí)際計(jì)算結(jié)果表明該公式能夠較準(zhǔn)確地描述各類高分子材料在納米壓痕測(cè)試中硬度與壓痕深度的關(guān)系。用此公式修正了兩種材料的硬度并給出了在真實(shí)納米壓痕實(shí)驗(yàn)中所需要的有效壓痕深度。本文的研究工作將會(huì)為高分子材料在納米壓痕的分子模擬中力學(xué)參量的表征提供一定參考，同時(shí)為定量描述高分子材料在納米壓痕測(cè)試中硬度與壓痕深度的關(guān)系提供參考。關(guān)鍵詞:POSS，納米壓痕，分子力學(xué)模擬，硬度前言多面體低聚倍半硅氧烷（PolyhedralOligomericSilsesqu

3、ioxane,簡(jiǎn)稱POSS）是一類結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為(RSiO1.5)n（n≥4且為偶數(shù)，R=H、烷基、芳基或有機(jī)官能基團(tuán)）的化合物。這類化合物能夠與常規(guī)高分子材料的分子鏈化學(xué)結(jié)合從而形成POSS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料[1]。與常規(guī)的高分子聚合物相比，POSS有機(jī)無機(jī)納米雜化材料具有了一系列優(yōu)異的力學(xué)物理性能，包括耐磨性、耐高溫性、硬度、強(qiáng)度等[2-4]。硬度是表征材料力學(xué)性能的一個(gè)重要物理量，納米壓痕法是測(cè)量材料硬度的一種成熟而有效的方法[5]。但是在高分子材料納米壓痕的分子力學(xué)模擬方面，如何計(jì)算材料的硬度以及如何表征硬度與壓痕深度的關(guān)系一直都是難以解決的問題。本文以聚苯乙烯和丙基POSS聚苯乙烯這兩

4、種材料為背景，運(yùn)用分子力學(xué)模擬方法研究了高分子材料在納米壓痕下的硬度計(jì)算方法并提出表征高分子材料硬度與壓痕深度的公式，討論了POSS對(duì)高分子材料硬度的影響。1．分子模型和壓痕模型對(duì)于高分子材料的分子模擬來說，分子模型的大小是必須要考慮的。一方面為了接近于真實(shí)的分子結(jié)構(gòu)需要模型的長(zhǎng)度盡可能的大，另一方面計(jì)算機(jī)處理能力的限制又希望模型盡可能的小。有研究表明，當(dāng)分子鏈的長(zhǎng)度接近60時(shí)，計(jì)算結(jié)果相差不大[6]。綜合考慮，本文取PS的單分子鏈模型長(zhǎng)度為66，即每個(gè)PS的分子鏈?zhǔn)怯?6個(gè)苯乙烯的單體組成。每個(gè)PS分子鏈包含有1058個(gè)原子。對(duì)于P-POSS-PS來說，取分子鏈的長(zhǎng)度為55，即每個(gè)P-POS

5、S-PS的分子鏈骨架由55個(gè)苯乙烯單體組成，在這個(gè)包含有55個(gè)苯乙烯單體的分子鏈上再懸掛5個(gè)丙基POSS（P-POSS）單體。P-POSS-PS中POSS的摩爾百分含量為9.1%。為了讓P-POSS單體分布均勻，分別讓這5個(gè)P-POSS單體附著在第6個(gè)、第17個(gè)、第28個(gè)、第39個(gè)和第50個(gè)苯乙烯單體上。一個(gè)P-POSS-PS的分子鏈包含的總的原子數(shù)為1232個(gè)。在兩種物質(zhì)的分子模型中，分子鏈兩端的單體上碳原子被認(rèn)為是飽和的。P-POSS-PS的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1P-POSS-PS的分子結(jié)構(gòu)圖圖2納米壓痕模擬模型壓痕模擬模型如圖2所示，壓頭為方形壓頭，寬為8?，長(zhǎng)度與壓入物體的寬度相等，

6、置于模型的中心，在模型的x-y平面上表面開始，沿著-z軸方向壓入。采用的是位移加載方式，基底上的原子隨著壓頭的下壓而隨之往下運(yùn)動(dòng)從而形成壓痕。PS的壓痕模擬模型由8個(gè)單獨(dú)的PS分子鏈組成，模型的密度為1.05g/cm3，含有8564個(gè)原子，模型為立方體結(jié)構(gòu)，在x，y，z方向的尺寸均為44.3312?。P-POSS-PS的壓痕模擬模型由8個(gè)P-POSS-PS的分子鏈構(gòu)成，模型密度為1.35g/cm3，含有9856個(gè)原子。模型為立方體結(jié)構(gòu)，其在x，y，z方向的尺寸均為46.2748?。2．模擬方法及過程采用位移加載的方式，壓頭每一步沿著-z軸方向往下移動(dòng)0.3?，PS和P-POSS-PS的分子模型

7、受到壓頭的約束作用而逐步產(chǎn)生壓痕。對(duì)于PS來說，一共加載了23步，壓頭一共下壓的深度為6.9?。而對(duì)于P-POSS-PS來說，因?yàn)閴侯^所處的中心位置正好有一個(gè)丙基突出表面，所以壓頭的初始位置要高出平面，這樣為了使壓頭在P-POSS-PS上產(chǎn)生與PS中大致相同的壓痕深度，一共加載了34步，下壓的深度為10.2?。雖然加載的步數(shù)不同，但是由于壓頭的初始高度不同，它們的壓痕深度是基本相同的。兩模型上表面