CNT网络材料微观结构变化的数值模拟研究.pdf
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1、书书书 研究设计 :收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金();国家自然科学基金();江苏省研究生科研创新计划资助项目()。第一作者简介:金雨林(),男,河南三门峡人,硕士研究生,研究方向为纳米材料力学性能。通信作者:赵军华(),男,安徽安庆人,博士,教授,主要研究方向为复杂结构三维断裂、疲劳、寿命预测和微纳复合结构界面强度及失效行为。:网络材料微观结构变化的数值模拟研究金雨林,赵军华(江南大学 机械工程学院,江苏 无锡 )摘要:为探究力学载荷作用对碳纳米管(,)网络材料微观结构的影响,笔者建立了 网络材料的粗粒化模型,运用粗粒化分子动力学模拟方法对 网络在力学载荷作用下的微观结构变
2、化行为进行仿真分析。结果表明:网络材料的取向程度在拉伸应变增加初期增大速率较快,后续随着拉伸应变的增加取向程度趋于平稳,最终会趋近于稳定值 ;在压缩载荷作用下,网络材料的取向程度会随着应变的增大而减小,且最后减小至 ;力学载荷速率不会影响 网络取向程度的变化规律。关键词:碳纳米管;网络材料;微观结构;粗粒化分子动力学;取向程度中图分类号:;文献标志码:文章编号:(),(,):,();,;:();碳纳米管(,)作为典型的低维纳米材料,由于具有优异的力学 、电学 和热学特性 ,以及低密度、大比表面积和高长径比等特点,受到了广泛的关注和研究。以 为构筑单元,开发自下而上的制备方法组装其宏观材料,以期
3、将 在纳米尺度下的优异性能拓展到其组装的宏观结构材料中,进而推动 在宏观尺度下不同领域的工程应用成为目前材料研究的重要课题。宏观材料中,通过管间界面作用自组装成直径较大的 管束,并通过管束与管束之间的范德华作用构筑成连续的宏观体。其中,相互连接和缠绕,形成结构特征多样、尺度特征分明的 网络。因此,宏观材料也被称为 网络材料。现有的研究表明,网络具有低密度、高强度、第 卷 第 期 年 月轻工机械 高韧性以及高导电 导热和耐高温等特性,引起了国内外学术界和工业界的广泛关注,有望像传统纤维材料一样广泛地应用于航空航天 、风力发电 、汽车 和体育用品 等领域。如 网络材料在轻工业传感器领域显示了巨大的
4、潜力,等 用 材料制作出了电容型压力传感器;等 制备出一种基于 阵列的新型电化学生物传感器。当 网络材料用于应变传感器时,需要与被测物一起发生变形,因此需要明确 网络材料自身在拉伸及压缩下的变形特征及调控机理。随着合成工艺日趋成熟,目前技术上已经能够实现 网络材料的加工制备,且 纯度和密度等都有了明显的提高。然而,目前实验中合成的 网络材料强度、刚度等力学性能与其构筑单元 相比相差约 到 个数量级。对这些影响因素的精确表征和评估,不仅能深入理解 网络微观结构演化与其整体力学性能之间定量关系,而且可以优化设计和指导高性能 宏观材料的制备,使其满足在不同领域中的应用。然而,由于表征和测试技术的局限
5、性,实验中很难直接测得力学载荷对其微观结构参数变化的影响规律,尤其无法得到在纳米尺度下 网络取向程度的变形规律。采用全原子分子动力学方法(,)预测其力学性能在计算尺度上又面临极大的挑战。粗粒化分子动力学方法(,)使用粗粒化势函数描述粗粒间相互作用,以映射 力学性能及其管间粘结作用,从而可以模拟 材料在更大尺寸和更长时间下的力学行为,并得到材料主要的结构特征参数及其演化规律。与 方法相比,方法在减少模型自由度的同时保留了 的力学特性,计算效率高,是研究大尺度 网络材料的理想模拟方法。等 通过 研究发现可以通过改变拉伸应变和交联密度来有效调整 网络的微观结构和力学性能。年,等 完整地建立了 非线性
6、粗粒化势函数参数体系,为通过 方法模拟大变形下 网络力学行为提供了技术支撑。笔者以 网络材料作为研究对象,基于 方法模拟了 网络材料在载荷作用下的非线性力学行为,尤其是捕捉网络中 微观参数在载荷作用下的变化规律,以期更好地了解 网络材料的普遍力学规律。模型建立 势函数的选取采用 方法模拟 网络的力学行为,网络内均为等长的(,)手性 ,以此排除网络力学性能受到 手性、半径等因素的耦合影响。在 模拟中,每根 被离散为一系列由等效键连接的粗粒。且 中邻近的 个粗粒通过等效粗粒键相互作用,以映射全原子 的拉伸行为;邻近的 个粗粒通过等效粗粒键角相互作用,以映射全原子 的弯曲行为。不同 间的粗粒通过等效
7、范德华力相互作用,以映射全原子 界面间的粘附,如图 所示 。图 个平行 的全原子原子结构和粗粒化模型 粗粒键势函数使用高阶方程描述以映射 的非线性拉伸行为,而粗粒键角势函数使用二次方程即可准确描述 的非线性弯曲行为 。粗粒间范德华作用使用 软件自带势函数 方程描述。综上,网络总体势能 为拉伸能、弯曲能 和范德华能 之和:。()拉伸能、弯曲能 和范德华能 表达式分别为:()()();()轻工机械 年第期 ();()()()。()式中:和 分别表示模型中粗粒的个数与粗粒键角的个数;和 均为网络结构内粗粒的编号,且 ;,分别为等效粗粒键伸缩势能项的相关力学常数;为粗粒键的平衡键长,根据已有文献,笔者
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