聚合物結構和性能的計算模擬方法
2023-09-17 18:41:40
聚合物結構和性能的計算模擬方法
【專利摘要】本發明公開聚合物結構和性能的計算模擬方法，建立單分散、粗粒化的聚合物模型，再對聚合物模型進行相應力場的設置，通過LAMMPS進行相應參數的設定，對模型進行相應的初始設定，對所建立的聚合物模型進行平衡，對所得平衡體系進行不同溫度、應變速率下的單軸拉伸及應力鬆弛測試，輸出形變過程中的應力、應變、體積等力學數據及其能量的變化。本發明運用LAMMPS軟體，構建粗粒化聚合物模型，並進行了相應模擬，探究聚合物形變過程中結構與性能的關係，提供一種聚合物結構和性能的計算模擬方法，彌補傳統實驗方法在研究聚合物結構與性能關係上的不足，對聚合物形變過程中結構與能量的變化進行進一步的實時探究。
【專利說明】聚合物結構和性能的計算模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於高分子材料【技術領域】，更具體地說，涉及一種聚合物結構和性能的計 算模擬方法。
【背景技術】
[0002] 聚合物材料品種眾多，具有密度輕，比強高，耐腐蝕，加工性好，易加工成形，可制 成複雜形狀的零部件，摩擦性能好，易滿足不同摩擦條件要求，具有絕緣性、密封性、減震性 及可染色性等特點，憑藉其優良的性能在工程應用中得到了廣泛的應用，吸引了眾多科研 者的廣泛關注，而對聚合物的研究多數集中在結構和性能以及它們之間的關係方面。眾所 周知，形變行為對於理解高分子的性質是十分重要的，不少研究者在這方面做了大量工作。 但是由於實驗條件的限制，我們通過AFM，SEM或者X射線衍射圖譜等實驗方法，或者只能觀 察局部的材料形貌，或者只能獲取整體平均後的物理特性。很難更進一步的明確了解聚合 物結構與性能之間的關係，而且無法實現了解材料在受到外力發生形變過程中微觀內部結 構變化，更不能對材料形變過程中內部形態變化進行實時在線的觀測。此時計算機仿真技 術給我們提供了一種新的途徑，有助於協助我們了解其複雜的行為，探尋聚合物形變過程 中結構與性能之間的關係。現在使用的仿真技術主要有兩種方法：分子動力學方法（MD)和 蒙特卡羅方法（MC)。本發明主要採用分子動力學仿真的方法，進行相關模擬。
[0003] 分子動力學（Molecular Dynamics, MD)方法是一種依靠牛頓經典力學來模擬分 子體系的運動的方法，由於它能夠對原子在三維空間內的運動軌跡和演變過程進行精確地 描述，有助於我們了解運動過程中材料內部的結構變化，因而被廣泛的應用於固體、液體結 構、表面界面性能、鬆弛過程等凝聚態現象的研究中。
[0004] 分子動力學方法現在已在金屬晶體、複合材料等領域的研究中取得了重要突破， 但在高分子領域，此方法的應用尙不廣泛，由於高分子材料本身的結構極其複雜，而且分子 量比較大，這在構建高分子模型時帶來極大的困難，此外，對於大分子體系，原子量的增大， 將使模擬的時間大大加長，普通計算機很難達到實驗要求。為解決此問題，人們提出了粗粒 化模型，在聚合物模擬中，粗粒化模型將亞甲基看作一個微球，忽略了氫原子及碳氫鍵，從 而減小了建模難度和模擬運行時間，此種模型又被稱為珠鏈模型。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在於克服現有技術的不足，基於以上技術背景，運用LAMMPS軟體， 構建粗粒化聚合物模型，並進行了相應模擬，探究聚合物形變過程中結構與性能的關係，提 供一種聚合物結構和性能的計算模擬方法，彌補傳統實驗方法在研究聚合物結構與性能關 系上的不足，對聚合物形變過程中結構與能量的變化進行進一步的實時探究。
[0006] 本發明的目的通過下述技術方案予以實現：
[0007] 聚合物結構和性能的計算模擬方法，按照下述步驟進行：
[0008] 步驟1，建立單分散、粗粒化的聚合物模型，粒子位置由無規漫步產生，粒子初速度 為零，鍵長1.54nm，鍵角109.5° ;
[0009] 步驟2,對聚合物模型進行相應力場的設置：分子間作用力採用L-J勢，鍵長、 鍵角、二面角採用相應能量勢；具體力場設定公式如下所示，其中r。表示截斷力場， ε，Kb, K0, Q表示力場參數；
【權利要求】
1.聚合物結構和性能的計算模擬方法，其特徵在於，按照下述步驟進行： 步驟1，建立單分散、粗粒化的聚合物模型，粒子位置由無規漫步產生，粒子初速度為 零，鍵長1.54nm，鍵角109.5° ; 步驟2,對聚合物模型進行相應力場的設置：分子間作用力採用L-J勢，鍵長、鍵角、二 面角採用相應能量勢；具體力場設定公式如下所示，其中r。表示截斷力場，ε，Kb，Ke，Q表 示力場參數；
步驟3,通過LAMMPS進行相應參數的設定，對模型進行相應的初始設定：周期性邊界條 件，NPT、NVT系綜，速度-verlet積分算法，Nose-Hoover溫度控制法，Andersen等壓控制法； 其中設定邊界條件為周期性邊界條件，四次平衡設定為第一次為Langevin運動，第二次到 第三次設定為NPT系綜，鬆弛實驗再加 NVT系綜，數據積分算法我們設定為速度-verlet算 法，溫度控制方法採用Nose-Hoove等溫控制法，壓力控制方法採用Andersen等壓控制法； 步驟4,對所建立的聚合物模型進行平衡，依次進行500K下Langevin運動lOOps， 500K下NPT運動500ps，500K降溫到實驗溫度過程中NPT運動500ps，實驗溫度下NPT運動 500ps，使模型達到平衡狀態； 步驟5,對所得平衡體系進行不同溫度、應變速率下的單軸拉伸及應力鬆弛測試，輸出 形變過程中的應力、應變、體積等力學數據及其能量的變化。
2. 根據權利要求1所述的聚合物結構和性能的計算模擬方法，其特徵在於，在步驟5 中，將所得平衡樣品在實驗溫度及特定拉伸速率（ΙΟ 8。1?ΙΟ11。1)下進行單軸拉伸實驗，輸 出形變過程中的應力、應變、體積等力學數據及其能量的變化。
3. 根據權利要求1所述的聚合物結構和性能的計算模擬方法，其特徵在於，在步驟5 中，將所得平衡樣品在實驗溫度及較高拉伸速率下進行單軸拉伸，拉伸到一定的應變，然後 在實驗溫度下進行NVT運動500ps，輸出形變過程中的應力等力學數據及其內部能量的變 化。
【文檔編號】G06F17/50GK104091020SQ201410326004
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】張曉星, 尚英瑞, 李景慶, 蔣世春 申請人:天津大學