碳納米管/聚乙烯界面分子構型的數值仿真

阮詩倫　孫本強　劉嬋

摘要：為研究在應力場和溫度場作用下碳納米管/不定型聚乙烯復合材料界面基體分子取向的變化歷程，建立對應的復合材料分子模型.利用經典分子動力學的模擬方法，在對不同溫度場碳納米管表面高分子徑向分布函數（Radial Distribution Function， RDF）分析的基礎上，重點分析溫度和拉伸應力對界面處基體分子取向參數的影響規律.結果表明：當溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的徑向分布函數值和取向參數值分別提高140%和119%；當溫度為50 K時，對復合材料施加0.01 ps-1的應變速率，當應變從0增加到0.24時，高分子鏈整體取向參數值提高19%.

關鍵詞：碳納米管； 聚乙烯； 分子動力學模擬； 取向參數； 徑向分布函數

中圖分類號： TB383

文獻標志碼：B

0 引 言

自1991年問世以來，碳納米管[1]因其卓越的力學性能和獨特的結構被作為理想的填充材料廣泛應用于高分子復合材料.大量研究表明將碳納米管加入高分子基體材料中可有效增強高分子復合材料的機械性能[2-4]，但是碳納米管/高分子復合材料的增強機理仍存在諸多疑問，吸引大量科技工作者在該領域開展科學研究.眾所周知，碳納米管與高分子基體材料之間的界面性質對整個體系的機械性質有決定性的影響，因此，對該類材料界面性狀的研究成為解開其增強機理的關鍵所在.近幾年的研究表明，碳納米管的加入對周邊高分子的構象、結晶行為及取向參數等有明顯影響[5-7]：當碳納米管周圍聚合物呈現螺旋形貌時非常有利于復合材料界面強度的提高[3]；當周邊高分子呈現有序晶態時復合材料的彈性模量顯著提高，反之則界面強度非常差[4].

目前，關于高分子復合材料的界面形貌對本身機械性能和物理性能的影響有相關報道，但界面形貌的形成因素還有待于深入研究.本文主要利用經典分子動力學軟件LAMMPS[8]，采用并行運算方法，重點分析在不同溫度和應力作用下碳納米管表面不定型聚乙烯分子的徑向分布函數（Radial Distribution Function， RDF）和取向分布函數的變化規律，同時利用計算機軟件VMD觀察界面形貌[9]，更深入地了解碳納米管/不定型聚乙烯復合材料界面的形成機理，找出對體系結構和性質影響的關鍵因素并預測復合材料的機械性質，為新材料的設計和制造提供理論指導.

4 結 論

利用分子動力學數值仿真方法研究溫度及拉伸應力對碳納米管/不定型聚乙烯界面構型的影響，主要結論如下：

（1）在不同溫度時，不定型聚乙烯在碳納米管表面均形成兩個吸附層，溫度從600 K降低到50 K時，第一層吸附層逐步向碳納米管靠近，距離由10.216 變為9.216 .

（2）第一吸附層的RDF值和局部取向參數都隨著溫度的降低而升高，在溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的RDF值和取向參數分別提高140%和119%.

（3）在低溫時，整體取向參數隨應變的增加而增加，應變為0～0.24時，高分子鏈整體取向參數提高19%.整體取向參數的變化與應力遞增的趨勢保持一致.

參考文獻：

[1]

IIJIMA S. Helical microtubules of graphitic carbon[J]. Nature， 1991（354）： 56-58.

[2] CADEK M，COLEMAN J N， RYAN K P， et al. Reinforcement of polymers with carbon nanotubes： the role of nanotube surface area[J]. Nano Lett， 2004， 4（2）： 353-356.

[3] LORDI V， YAO N. Molecular mechanics of binding in carbon nanotube-polymer composites[J]. J Mat Res， 2000， 15（12）： 2270-2779.

[4] CADEK M， COLEMAN J， BARRON V， et al. Morphological and mechanical properties of carbon-nanotube-reinforced semicrystalline and amorphous polymer composites[J]. Appl Phys Lett， 2002， 81（27）： 5123-5125.

[5] YANG Hua， LIU Yu， ZHANG Hui， et al. Diffusion of single alkane molecule in carbon nanotube studied by molecular dynamics simulation[J]. Polymer， 2006， 47（21）： 7607-7610.

[6] 王禹， 章林溪. 外力誘導吸附高分子單鏈的拉伸分子動力學研究[J]. 物理學報， 2008， 57（5）： 3281-3286.

WANG Yu， ZHANG Linxi. Steered molecular dynamics investigation of force-induced detachment of adsorbed single polymer chains[J]. Acta Physica Sinica， 2008， 57（5）： 3281-3286.

[7] 劉佳， 趙莉， 呂中元. 聚乙烯鏈在碳納米管側壁吸附的動力學模擬研究[J]. 高等學校化學學報， 2008， 29（12）： 2389-2392.

LIU Jia， ZHAO Li， LYU Zhongyuan. Molecular dynamics simulation of adsorption of a polyethylene chain on carbon nanotube[J]. Chem J Chin Universities， 2008， 29（12）： 2389-2392.

[8] PLIMPTON S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics[J]. J Comput Phys， 1995， 117（1）： 1-19.

[9] HUMPHREY W， DALKE A， SCHULTEN K. VMD-visual molecular dynamics[J]. J Molec Graphics， 1996， 14（1）： 33-38.

[10] BRENNER D W， SHENDEROVA O A， HARRISON J A， et al. A second-generation Reactive Empirical Bond Order（REBO） potential energy expression for hydrocarbons[J]. J Phys： Condensed Mat， 2002， 14（4）： 783-802.endprint

摘要：為研究在應力場和溫度場作用下碳納米管/不定型聚乙烯復合材料界面基體分子取向的變化歷程，建立對應的復合材料分子模型.利用經典分子動力學的模擬方法，在對不同溫度場碳納米管表面高分子徑向分布函數（Radial Distribution Function， RDF）分析的基礎上，重點分析溫度和拉伸應力對界面處基體分子取向參數的影響規律.結果表明：當溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的徑向分布函數值和取向參數值分別提高140%和119%；當溫度為50 K時，對復合材料施加0.01 ps-1的應變速率，當應變從0增加到0.24時，高分子鏈整體取向參數值提高19%.

關鍵詞：碳納米管； 聚乙烯； 分子動力學模擬； 取向參數； 徑向分布函數

中圖分類號： TB383

文獻標志碼：B

0 引 言

自1991年問世以來，碳納米管[1]因其卓越的力學性能和獨特的結構被作為理想的填充材料廣泛應用于高分子復合材料.大量研究表明將碳納米管加入高分子基體材料中可有效增強高分子復合材料的機械性能[2-4]，但是碳納米管/高分子復合材料的增強機理仍存在諸多疑問，吸引大量科技工作者在該領域開展科學研究.眾所周知，碳納米管與高分子基體材料之間的界面性質對整個體系的機械性質有決定性的影響，因此，對該類材料界面性狀的研究成為解開其增強機理的關鍵所在.近幾年的研究表明，碳納米管的加入對周邊高分子的構象、結晶行為及取向參數等有明顯影響[5-7]：當碳納米管周圍聚合物呈現螺旋形貌時非常有利于復合材料界面強度的提高[3]；當周邊高分子呈現有序晶態時復合材料的彈性模量顯著提高，反之則界面強度非常差[4].

目前，關于高分子復合材料的界面形貌對本身機械性能和物理性能的影響有相關報道，但界面形貌的形成因素還有待于深入研究.本文主要利用經典分子動力學軟件LAMMPS[8]，采用并行運算方法，重點分析在不同溫度和應力作用下碳納米管表面不定型聚乙烯分子的徑向分布函數（Radial Distribution Function， RDF）和取向分布函數的變化規律，同時利用計算機軟件VMD觀察界面形貌[9]，更深入地了解碳納米管/不定型聚乙烯復合材料界面的形成機理，找出對體系結構和性質影響的關鍵因素并預測復合材料的機械性質，為新材料的設計和制造提供理論指導.

4 結 論

利用分子動力學數值仿真方法研究溫度及拉伸應力對碳納米管/不定型聚乙烯界面構型的影響，主要結論如下：

（1）在不同溫度時，不定型聚乙烯在碳納米管表面均形成兩個吸附層，溫度從600 K降低到50 K時，第一層吸附層逐步向碳納米管靠近，距離由10.216 變為9.216 .

（2）第一吸附層的RDF值和局部取向參數都隨著溫度的降低而升高，在溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的RDF值和取向參數分別提高140%和119%.

（3）在低溫時，整體取向參數隨應變的增加而增加，應變為0～0.24時，高分子鏈整體取向參數提高19%.整體取向參數的變化與應力遞增的趨勢保持一致.

參考文獻：

[1]

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[2] CADEK M，COLEMAN J N， RYAN K P， et al. Reinforcement of polymers with carbon nanotubes： the role of nanotube surface area[J]. Nano Lett， 2004， 4（2）： 353-356.

[3] LORDI V， YAO N. Molecular mechanics of binding in carbon nanotube-polymer composites[J]. J Mat Res， 2000， 15（12）： 2270-2779.

[4] CADEK M， COLEMAN J， BARRON V， et al. Morphological and mechanical properties of carbon-nanotube-reinforced semicrystalline and amorphous polymer composites[J]. Appl Phys Lett， 2002， 81（27）： 5123-5125.

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WANG Yu， ZHANG Linxi. Steered molecular dynamics investigation of force-induced detachment of adsorbed single polymer chains[J]. Acta Physica Sinica， 2008， 57（5）： 3281-3286.

[7] 劉佳， 趙莉， 呂中元. 聚乙烯鏈在碳納米管側壁吸附的動力學模擬研究[J]. 高等學校化學學報， 2008， 29（12）： 2389-2392.

LIU Jia， ZHAO Li， LYU Zhongyuan. Molecular dynamics simulation of adsorption of a polyethylene chain on carbon nanotube[J]. Chem J Chin Universities， 2008， 29（12）： 2389-2392.

[8] PLIMPTON S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics[J]. J Comput Phys， 1995， 117（1）： 1-19.

[9] HUMPHREY W， DALKE A， SCHULTEN K. VMD-visual molecular dynamics[J]. J Molec Graphics， 1996， 14（1）： 33-38.

[10] BRENNER D W， SHENDEROVA O A， HARRISON J A， et al. A second-generation Reactive Empirical Bond Order（REBO） potential energy expression for hydrocarbons[J]. J Phys： Condensed Mat， 2002， 14（4）： 783-802.endprint

摘要：為研究在應力場和溫度場作用下碳納米管/不定型聚乙烯復合材料界面基體分子取向的變化歷程，建立對應的復合材料分子模型.利用經典分子動力學的模擬方法，在對不同溫度場碳納米管表面高分子徑向分布函數（Radial Distribution Function， RDF）分析的基礎上，重點分析溫度和拉伸應力對界面處基體分子取向參數的影響規律.結果表明：當溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的徑向分布函數值和取向參數值分別提高140%和119%；當溫度為50 K時，對復合材料施加0.01 ps-1的應變速率，當應變從0增加到0.24時，高分子鏈整體取向參數值提高19%.

關鍵詞：碳納米管； 聚乙烯； 分子動力學模擬； 取向參數； 徑向分布函數

中圖分類號： TB383

文獻標志碼：B

0 引 言

自1991年問世以來，碳納米管[1]因其卓越的力學性能和獨特的結構被作為理想的填充材料廣泛應用于高分子復合材料.大量研究表明將碳納米管加入高分子基體材料中可有效增強高分子復合材料的機械性能[2-4]，但是碳納米管/高分子復合材料的增強機理仍存在諸多疑問，吸引大量科技工作者在該領域開展科學研究.眾所周知，碳納米管與高分子基體材料之間的界面性質對整個體系的機械性質有決定性的影響，因此，對該類材料界面性狀的研究成為解開其增強機理的關鍵所在.近幾年的研究表明，碳納米管的加入對周邊高分子的構象、結晶行為及取向參數等有明顯影響[5-7]：當碳納米管周圍聚合物呈現螺旋形貌時非常有利于復合材料界面強度的提高[3]；當周邊高分子呈現有序晶態時復合材料的彈性模量顯著提高，反之則界面強度非常差[4].

目前，關于高分子復合材料的界面形貌對本身機械性能和物理性能的影響有相關報道，但界面形貌的形成因素還有待于深入研究.本文主要利用經典分子動力學軟件LAMMPS[8]，采用并行運算方法，重點分析在不同溫度和應力作用下碳納米管表面不定型聚乙烯分子的徑向分布函數（Radial Distribution Function， RDF）和取向分布函數的變化規律，同時利用計算機軟件VMD觀察界面形貌[9]，更深入地了解碳納米管/不定型聚乙烯復合材料界面的形成機理，找出對體系結構和性質影響的關鍵因素并預測復合材料的機械性質，為新材料的設計和制造提供理論指導.

4 結 論

利用分子動力學數值仿真方法研究溫度及拉伸應力對碳納米管/不定型聚乙烯界面構型的影響，主要結論如下：

（1）在不同溫度時，不定型聚乙烯在碳納米管表面均形成兩個吸附層，溫度從600 K降低到50 K時，第一層吸附層逐步向碳納米管靠近，距離由10.216 變為9.216 .

（2）第一吸附層的RDF值和局部取向參數都隨著溫度的降低而升高，在溫度從600 K降低到50 K時，界面基體分子的RDF值和取向參數分別提高140%和119%.

（3）在低溫時，整體取向參數隨應變的增加而增加，應變為0～0.24時，高分子鏈整體取向參數提高19%.整體取向參數的變化與應力遞增的趨勢保持一致.

參考文獻：

[1]

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[2] CADEK M，COLEMAN J N， RYAN K P， et al. Reinforcement of polymers with carbon nanotubes： the role of nanotube surface area[J]. Nano Lett， 2004， 4（2）： 353-356.

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[4] CADEK M， COLEMAN J， BARRON V， et al. Morphological and mechanical properties of carbon-nanotube-reinforced semicrystalline and amorphous polymer composites[J]. Appl Phys Lett， 2002， 81（27）： 5123-5125.

[5] YANG Hua， LIU Yu， ZHANG Hui， et al. Diffusion of single alkane molecule in carbon nanotube studied by molecular dynamics simulation[J]. Polymer， 2006， 47（21）： 7607-7610.

[6] 王禹， 章林溪. 外力誘導吸附高分子單鏈的拉伸分子動力學研究[J]. 物理學報， 2008， 57（5）： 3281-3286.

WANG Yu， ZHANG Linxi. Steered molecular dynamics investigation of force-induced detachment of adsorbed single polymer chains[J]. Acta Physica Sinica， 2008， 57（5）： 3281-3286.

[7] 劉佳， 趙莉， 呂中元. 聚乙烯鏈在碳納米管側壁吸附的動力學模擬研究[J]. 高等學校化學學報， 2008， 29（12）： 2389-2392.

LIU Jia， ZHAO Li， LYU Zhongyuan. Molecular dynamics simulation of adsorption of a polyethylene chain on carbon nanotube[J]. Chem J Chin Universities， 2008， 29（12）： 2389-2392.

[8] PLIMPTON S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics[J]. J Comput Phys， 1995， 117（1）： 1-19.

[9] HUMPHREY W， DALKE A， SCHULTEN K. VMD-visual molecular dynamics[J]. J Molec Graphics， 1996， 14（1）： 33-38.

[10] BRENNER D W， SHENDEROVA O A， HARRISON J A， et al. A second-generation Reactive Empirical Bond Order（REBO） potential energy expression for hydrocarbons[J]. J Phys： Condensed Mat， 2002， 14（4）： 783-802.endprint