半晶态聚合物拉伸变形的微观机理

应用大规模分子动力学方法,采用粗粒化聚乙烯醇模型,模拟了晶区与非晶区随机交杂的半晶态聚合物模型系统,研究了半晶态聚合物在单轴拉伸变形过程中的应力-应变行为和微观结构演变.应力-应变曲线表现出4个典型变形阶段:弹性变形、屈服、应变软化和应变强化.在拉伸变形过程中,主要存在晶区折叠链之间的滑移、晶区破坏、非晶区的解缠结,以及分子链沿拉伸方向重新取向等4种主要的微结构演变形式.在屈服点附近,晶区分子链之间排列紧密程度减小而发生滑移,之后晶区变化需要的应力变小,从而形成应变软化现象.随着应变的增大,经各分子链段协同作用使非晶区分子链的解缠结和重新取向行为扩展到相对宏观尺度,导致拉伸应力增大而形成应变强化现象.      

半晶态聚合物的分子动力学模拟

采用粗粒化聚乙烯醇模型,应用分子动力学方法模拟熔融态聚合物经过缓慢冷却、局部结晶形成半晶态聚合物的过程.静态结构因子的演变显示出在结晶初期小角散射强度的增大先于布拉格峰的出现,这与小角/大角X射线散射实验现象相一致.模拟得到的半晶态聚合物呈现为折叠链构成的晶区与非晶区交杂在一起的结构形态,与缨状微束结构模型相一致.研究发现在不同的冷却阶段具有不同的有序结构形成机制.从结晶温度到玻璃化温度的凝固过程中,存在分子链的伸展和伸直分子链之间平行排列两种形式的结构转变;而在玻璃化温度之后,材料的活性只允许调整伸直分子链之间的相对排列位置.     

纳米粒子与单晶硅表面碰撞的反弹机理研究

应用分子动力学方法模拟了纳米粒子与单晶硅(001)表面碰撞、反弹飞离的现象，分析了粒子的反弹行为、基体弹性形变和塑性形变的原子构型特征，以及碰撞过程的能量转化.碰撞后单晶硅表面形成半球形的小坑，小坑周围的基体原子呈非晶态.碰撞过程中与颗粒相邻的基体原子立即非晶化，在非晶层外面基体以可恢复的(111)［110］滑移结构存储弹性形变能.在射入过程，基体发生压缩弹性形变；颗粒反弹时基体势能振荡下降,交替形成压缩形变构型和拉伸形变构型.射入过程中存贮的压缩弹性形变能的释放为颗粒提供了反弹、飞离的能量. 关键词： 碰撞 纳米粒子 单晶硅表面 分子动力学模拟     

原子尺度摩擦行为的分子动力学模拟

应用大规模分子动力学方法,模拟了具有原子级光滑和原子级粗糙形貌的刚性球形探头与弹性平面基体的干摩擦行为,研究了无/有粘附条件下的载荷与摩擦力、载荷与真实接触面积,以及摩擦力与真实接触面积之间的关系,对纳米尺度下的摩擦行为规律进行了分析。几种系统的真实接触面积－载荷关系都与相应的连续力学接触模型定性的一致,它们分别是Hertz光滑表面接触模型、Greenwood-Williamson粗糙表面接触模型和Maugis-Dugdale粘着接触模型。无论是由光滑表面还是粗糙表面构成的摩擦系统,在无粘附条件下摩擦力与载荷成正比,而摩擦力与真实接触面积之间没有一个简单的关系;在粘附条件下摩擦力与真实接触面积成正比,而摩擦力与载荷之间表现为Maugis-Dugdale模型预测的亚线性关系。我们的研究表明,当表面作用从无粘附到粘附时,控制摩擦力的决定因素从载荷转变为接触面积,摩擦行为从载荷控制摩擦转变为粘着控制摩擦。     

界面氢键对受限水结构和动态特性的影响

应用反应力场分子动力学方法, 模拟了水限制在全羟基化二氧化硅晶体表面间的弛豫过程, 研究了基底表面与水形成的界面氢键, 及其对受限水结构和动态特性行为的影响. 当基底表面硅醇固定时, 靠近基底表面水分子中的氧原子与基底表面的氢原子形成强氢键, 这使得靠近表面水分子中的氧原子比对应的氢原子更靠近基底表面, 从而水分子的偶极矩远离表面. 当基底表面硅醇可动时, 靠近基底表面水分子与基底表面原子形成两种强氢键, 一种是水分子中的氧原子与表面的氢原子形成的强氢键, 数量较少, 另一种是水分子中的氢原子与表面的氧原子形成的强氢键, 数量较多, 这使得靠近表面水分子中的氢原子比对应的氧原子更靠近表面, 从而水分子的偶极矩指向表面. 在相同几何间距下, 当基底表面硅醇可动时, 表面的活动性使得几何限制作用减弱, 导致了受限水分层现象没有固定表面限制下的明显. 此外, 固定表面比可动表面与水形成的界面氢键作用较强, 数量较多, 导致了可动表面限制下水的运动更为剧烈.     

纳米粒子碰撞下的单晶硅表面非晶相变

应用分子动力学模拟研究了在纳米粒子的碰撞作用下，单晶硅表面局部区域的物相转变和结构演变. 模拟表明在碰撞过程中，基体表面碰撞区域从初始的单晶体转变为熔融态，经历过冷液体状态之后凝固成为了非晶态. 模拟揭示的凝固转变温度与硅玻璃化温度很接近. 在颗粒反弹阶段，与发生的冷却过程和压力去除过程相一致，碰撞区域从瞬态的、高度无序、高度致密的过冷状态开始，经历了结构有序度的增加和向相对疏松状态的转变. 碰撞之后所得非晶硅的平均配位数为5.27，其中配位数5，6原子构成了碰撞区域原子总数的61.5%.     

表面黏附导致的接触行为转变

应用大规模分子动力学方法, 模拟了具有不同原子级粗糙形貌的两种刚性球形探头与弹性平面基体的黏附接触行为. 研究了载荷与真实接触面积、接触界面排斥力与真实接触面积, 以及黏附力与真实接触面积之间的关系. 分子模拟得到的载荷与真实接触面积的关系, 与连续力学接触理论预测很好地定性一致. 无论是原子级光滑探头还是粗糙探头, 黏附接触下的排斥力与真实接触面积的关系, 都与无黏附接触时的规律相一致, 即黏附力对接触行为的影响作用, 可以等效为附加在真实外载荷基础上的虚拟载荷, 将对黏附接触行为的分析转变为无黏附接触分析. 两种探头的黏附力随真实接触面积都呈幂函数形式的增长, 但是, 原子级光滑探头的幂指数大于1, 而原子级粗糙探头的幂指数小于1. 关键词： 接触行为 表面黏附 分子动力学模拟     

金属原子催化作用下缺陷石墨烯薄膜的自修复过程

采用分子动力学方法,模拟了金属原子存在条件下缺陷石墨烯的自修复过程.模拟采用了Ni和Pt两种金属原子作为催化剂,通过改变系统温度,得到了多组模拟结果.观察对比了模拟结束时获得的原子构型图,并通过计算修复过程中石墨烯内5,6,7元环的数量变化,研究了不同金属原子对缺陷石墨烯的催化修复效果,发现在适当的温度(1600 K和2000 K)下,与无金属原子条件下的修复结果相比,两种金属原子都表现出了一定的催化修复能力,且Ni表现出的催化修复能力要优于Pt.为了探究其背后的机理,我们模拟了部分典型的结构演变.发现Ni和Pt原子分别会导致"环内跳出"和"断环"的局部结构转变,并且在不同温度下均表现出不同程度捕获碳链的能力.此外,观察了两种金属原子在平面内外的不同迁移行为,并通过绘制金属原子的迁移路线,计算其迁移量,进一步研究了两种金属原子不同的催化修复机理.研究结果有利于认识不同金属原子具有的不同催化修复效果,理解不同金属原子的催化作用机制,有助于针对缺陷石墨烯的修复选择合适的催化剂.     

纳米接触过程中黏着规律的变化

本文应用大规模分子动力学方法, 模拟了两种具有不同粗糙形貌的、刚性球形探头与弹性平面基体之间的纳米尺度接触, 计算了探头与基体之间的拉离力和黏着功, 研究了接触过程中界面黏着力随载荷的变化规律, 分析了接触界面原子的法向应力分布. 研究发现, 原子级光滑接触的黏着力随着载荷的增大而线性增大, 而原子级粗糙接触的黏着力-载荷曲线分为以不同斜率增长的两个阶段. 相比于原子级光滑探头, 原子级粗糙探头与基体之间具有较小的拉离力和黏着功, 却在接触过程中形成了较大的黏着力. 因此, 拉离力和黏着功不能表征出纳米接触过程中原子吸引作用对界面法向力的贡献大小.     

单个纳米粒子对聚合物结晶行为的影响

采用粗粒化模型,应用分子动力学方法研究了单个纳米粒子对聚合物结晶行为的影响.通过改变纳米粒子与聚合物单体之间作用方式(吸引作用或排斥作用)、纳米粒子与聚合物单体之间作用强度和聚合物分子链的长度,计算整个系统和局部区域的有序参数,研究了三个不同因素下纳米粒子对聚合物结晶行为的不同影响.研究表明,在聚合物基体中添加单个纳米粒子,纳米粒子对整个系统的结晶影响不明显,但是纳米粒子对其周围聚合物单体的结晶存在局部强化作用.当纳米粒子与聚合物单体之间为吸引作用且作用强度较大时,纳米粒子对聚合物结晶表现出明显的局部强化作用,聚合物分子链长度也有着一定的影响,在较大吸引作用强度下,长链样本比短链样本有着更为显著的局部强化作用.