分子动力学模拟超高分子量聚乙烯
The Study of Ultra-high Molecular Weight Polyethylene by Molecular Dynamics Simulation
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是典型的半晶聚合物,由于其独特的化学结构,使其具有特殊功能和用途,如耐磨、耐冲击、耐腐蚀、自润滑、吸收冲击能等特殊性能.因此,UHMWPE大量应用于国防军工、航天航空、化工、运动器材、纺织、石油天然气输送等领域.本文主要通过分子动力学模拟,研究了半晶UHMWPE在拉伸过程中结构的演变.在此基础上,进一步研究了半晶UHMWPE微孔结构在热处理过程中的结构演变.本文主要开展了以下工作:(1)采用粗粒化分子动力学模拟半晶UHMWPE在拉伸中结构的演变,讨论了温度、拉伸速率和驰豫时间对应力应变的影响,通过微观结构演变图、取向度、数密度、径向分布函数等方法观察拉伸过程中结构的变化;最后,通过能量演变图分析拉伸过程中的主要驱动力.研究结果表明:半晶UHMWPE拉伸的应力应变曲线是一个典型的拉伸行为,即由弹性阶段、屈服阶段、应变软化和应变硬化过程组成.随着拉伸温度的升高,杨氏模量、屈服应力逐渐减小;随着拉伸速率降低,杨氏模量、屈服应力也表现出明显的降低;驰豫时间对应力应变行为没有太大的影响.在弹性变形阶段,半晶UHMWPE中非晶区域的分子链发生取向,使得取向度增加,缠结度下降,径向分布函数峰值升高,由于没有明显的微孔形成,Z轴数密度没有太大变化;在屈服阶段,半晶UHMWPE的片晶开始发生滑移,取向度没有明显的变化,缠结度、径向分布函数有一定程度的增加,由于微孔开始形成,可以观察Z轴数密度有些区域开始下降;在应变软化阶段,半晶UHMWPE的片晶开始破碎,使取向度、缠结度有一定程度的降低,径向分布函数的长程有序度降低,同时,微孔开始逐渐变大,从Z轴数密度可以观察到数密度降低区域开始变大;在应变硬化阶段,UHMWPE分子链开始再次取向,取向度增加,缠结度下降,径向分布函数峰值升高、峰数量增多,此时,微孔继续生长成大的孔洞,从Z轴数密度可以观察到数密度降低区域继续扩大.最后,从能量角度可以看出,在应变软化阶段之前,非键作用能是发生UHMWPE结构变化的主要驱动力,而在应变硬化阶段,键能是拉伸过程结构变化的主要驱动力.(2)为了研究热处理方法对UHMWPE微孔结构的影响,我们通过V-T方式测定了初始结构的熔化温度,并基于该温度对UHMWPE微孔结构进行了热处理.热处理的方法有等温、降温、升温三种.等温处理时,从Z轴数密度值变化可以得知,有些微孔会发生愈合,有些微孔会逐渐生长成更大的孔洞;从径向分布函数演变图可以推测,在300K、350K下等温处理时,UHMWPE结构变化主要是由于低温处理使体系发生缓慢的重结晶,在400K等温处理时,UHMWPE结构变化主要是高温使体系熔融态靠近造成粒子的无序运动;降温处理时,从Z轴数密度可以看出,UHMWPE微孔会发生愈合,有些微孔则变为大的孔洞,从径向分布函数变化趋势可以推测,降温过程UHMWPE微孔结构变化主要是重结晶造成的.升温处理时,我们同样可以从Z轴数密度得知,升温处理会使微孔愈合,也同样会有微孔生长成大的孔洞;从径向分布函数图可以知道,在升温过程,UHMWPE结构的变化主要原因可归结于体系向熔融态靠近以及粒子无序运动.最后,从能量角度分析,等温过程,键合作用能和非键作用能度没有太大变化,由此推测是孔洞表面能起主要作用;降温过程,非键能起主要作用,而对于升温方式,快速升温是动能和势能起主要作用,对于缓慢的升温过程,推测是孔洞表面能起主要作用.
- 作者：
- 林成栋
- 学位授予单位：
- 深圳大学
- 专业名称：
- 化学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 朱才镇
- 中图分类号：
- O632.12
- 关键词：
- 半晶UHMWPE；分子动力学模拟；拉伸行为；热处理
- UHMWPE; molecular dynamics simulation; stretch mechanism; heat treatment;