碳纳米管/聚乙烯界面分子构型的数值仿真

阮诗伦　孙本强　刘婵

摘要：为研究在应力场和温度场作用下碳纳米管/不定型聚乙烯复合材料界面基体分子取向的变化历程，建立对应的复合材料分子模型.利用经典分子动力学的模拟方法，在对不同温度场碳纳米管表面高分子径向分布函数（Radial Distribution Function， RDF）分析的基础上，重点分析温度和拉伸应力对界面处基体分子取向参数的影响规律.结果表明：当温度从600 K降低到50 K时，界面基体分子的径向分布函数值和取向参数值分别提高140%和119%；当温度为50 K时，对复合材料施加0.01 ps-1的应变速率，当应变从0增加到0.24时，高分子链整体取向参数值提高19%.

关键词：碳纳米管； 聚乙烯； 分子动力学模拟； 取向参数； 径向分布函数

中图分类号： TB383

文献标志码：B

0 引 言

自1991年问世以来，碳纳米管[1]因其卓越的力学性能和独特的结构被作为理想的填充材料广泛应用于高分子复合材料.大量研究表明将碳纳米管加入高分子基体材料中可有效增强高分子复合材料的机械性能[2-4]，但是碳纳米管/高分子复合材料的增强机理仍存在诸多疑问，吸引大量科技工作者在该领域开展科学研究.众所周知，碳纳米管与高分子基体材料之间的界面性质对整个体系的机械性质有决定性的影响，因此，对该类材料界面性状的研究成为解开其增强机理的关键所在.近几年的研究表明，碳纳米管的加入对周边高分子的构象、结晶行为及取向参数等有明显影响[5-7]：当碳纳米管周围聚合物呈现螺旋形貌时非常有利于复合材料界面强度的提高[3]；当周边高分子呈现有序晶态时复合材料的弹性模量显著提高，反之则界面强度非常差[4].

目前，关于高分子复合材料的界面形貌对本身机械性能和物理性能的影响有相关报道，但界面形貌的形成因素还有待于深入研究.本文主要利用经典分子动力学软件LAMMPS[8]，采用并行运算方法，重点分析在不同温度和应力作用下碳纳米管表面不定型聚乙烯分子的径向分布函数（Radial Distribution Function， RDF）和取向分布函数的变化规律，同时利用计算机软件VMD观察界面形貌[9]，更深入地了解碳纳米管/不定型聚乙烯复合材料界面的形成机理，找出对体系结构和性质影响的关键因素并预测复合材料的机械性质，为新材料的设计和制造提供理论指导.

4 结 论

利用分子动力学数值仿真方法研究温度及拉伸应力对碳纳米管/不定型聚乙烯界面构型的影响，主要结论如下：

（1）在不同温度时，不定型聚乙烯在碳纳米管表面均形成两个吸附层，温度从600 K降低到50 K时，第一层吸附层逐步向碳纳米管靠近，距离由10.216 变为9.216 .

（2）第一吸附层的RDF值和局部取向参数都随着温度的降低而升高，在温度从600 K降低到50 K时，界面基体分子的RDF值和取向参数分别提高140%和119%.

（3）在低温时，整体取向参数随应变的增加而增加，应变为0～0.24时，高分子链整体取向参数提高19%.整体取向参数的变化与应力递增的趋势保持一致.

参考文献：

[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. 外力诱导吸附高分子单链的拉伸分子动力学研究[J]. 物理学报， 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] 刘佳， 赵莉， 吕中元. 聚乙烯链在碳纳米管侧壁吸附的动力学模拟研究[J]. 高等学校化学学报， 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：为研究在应力场和温度场作用下碳纳米管/不定型聚乙烯复合材料界面基体分子取向的变化历程，建立对应的复合材料分子模型.利用经典分子动力学的模拟方法，在对不同温度场碳纳米管表面高分子径向分布函数（Radial Distribution Function， RDF）分析的基础上，重点分析温度和拉伸应力对界面处基体分子取向参数的影响规律.结果表明：当温度从600 K降低到50 K时，界面基体分子的径向分布函数值和取向参数值分别提高140%和119%；当温度为50 K时，对复合材料施加0.01 ps-1的应变速率，当应变从0增加到0.24时，高分子链整体取向参数值提高19%.

关键词：碳纳米管； 聚乙烯； 分子动力学模拟； 取向参数； 径向分布函数

中图分类号： TB383

文献标志码：B

0 引 言

自1991年问世以来，碳纳米管[1]因其卓越的力学性能和独特的结构被作为理想的填充材料广泛应用于高分子复合材料.大量研究表明将碳纳米管加入高分子基体材料中可有效增强高分子复合材料的机械性能[2-4]，但是碳纳米管/高分子复合材料的增强机理仍存在诸多疑问，吸引大量科技工作者在该领域开展科学研究.众所周知，碳纳米管与高分子基体材料之间的界面性质对整个体系的机械性质有决定性的影响，因此，对该类材料界面性状的研究成为解开其增强机理的关键所在.近几年的研究表明，碳纳米管的加入对周边高分子的构象、结晶行为及取向参数等有明显影响[5-7]：当碳纳米管周围聚合物呈现螺旋形貌时非常有利于复合材料界面强度的提高[3]；当周边高分子呈现有序晶态时复合材料的弹性模量显著提高，反之则界面强度非常差[4].

目前，关于高分子复合材料的界面形貌对本身机械性能和物理性能的影响有相关报道，但界面形貌的形成因素还有待于深入研究.本文主要利用经典分子动力学软件LAMMPS[8]，采用并行运算方法，重点分析在不同温度和应力作用下碳纳米管表面不定型聚乙烯分子的径向分布函数（Radial Distribution Function， RDF）和取向分布函数的变化规律，同时利用计算机软件VMD观察界面形貌[9]，更深入地了解碳纳米管/不定型聚乙烯复合材料界面的形成机理，找出对体系结构和性质影响的关键因素并预测复合材料的机械性质，为新材料的设计和制造提供理论指导.

4 结 论

利用分子动力学数值仿真方法研究温度及拉伸应力对碳纳米管/不定型聚乙烯界面构型的影响，主要结论如下：

（1）在不同温度时，不定型聚乙烯在碳纳米管表面均形成两个吸附层，温度从600 K降低到50 K时，第一层吸附层逐步向碳纳米管靠近，距离由10.216 变为9.216 .

（2）第一吸附层的RDF值和局部取向参数都随着温度的降低而升高，在温度从600 K降低到50 K时，界面基体分子的RDF值和取向参数分别提高140%和119%.

（3）在低温时，整体取向参数随应变的增加而增加，应变为0～0.24时，高分子链整体取向参数提高19%.整体取向参数的变化与应力递增的趋势保持一致.

参考文献：

[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. 外力诱导吸附高分子单链的拉伸分子动力学研究[J]. 物理学报， 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] 刘佳， 赵莉， 吕中元. 聚乙烯链在碳纳米管侧壁吸附的动力学模拟研究[J]. 高等学校化学学报， 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：为研究在应力场和温度场作用下碳纳米管/不定型聚乙烯复合材料界面基体分子取向的变化历程，建立对应的复合材料分子模型.利用经典分子动力学的模拟方法，在对不同温度场碳纳米管表面高分子径向分布函数（Radial Distribution Function， RDF）分析的基础上，重点分析温度和拉伸应力对界面处基体分子取向参数的影响规律.结果表明：当温度从600 K降低到50 K时，界面基体分子的径向分布函数值和取向参数值分别提高140%和119%；当温度为50 K时，对复合材料施加0.01 ps-1的应变速率，当应变从0增加到0.24时，高分子链整体取向参数值提高19%.

关键词：碳纳米管； 聚乙烯； 分子动力学模拟； 取向参数； 径向分布函数

中图分类号： TB383

文献标志码：B

0 引 言

自1991年问世以来，碳纳米管[1]因其卓越的力学性能和独特的结构被作为理想的填充材料广泛应用于高分子复合材料.大量研究表明将碳纳米管加入高分子基体材料中可有效增强高分子复合材料的机械性能[2-4]，但是碳纳米管/高分子复合材料的增强机理仍存在诸多疑问，吸引大量科技工作者在该领域开展科学研究.众所周知，碳纳米管与高分子基体材料之间的界面性质对整个体系的机械性质有决定性的影响，因此，对该类材料界面性状的研究成为解开其增强机理的关键所在.近几年的研究表明，碳纳米管的加入对周边高分子的构象、结晶行为及取向参数等有明显影响[5-7]：当碳纳米管周围聚合物呈现螺旋形貌时非常有利于复合材料界面强度的提高[3]；当周边高分子呈现有序晶态时复合材料的弹性模量显著提高，反之则界面强度非常差[4].

目前，关于高分子复合材料的界面形貌对本身机械性能和物理性能的影响有相关报道，但界面形貌的形成因素还有待于深入研究.本文主要利用经典分子动力学软件LAMMPS[8]，采用并行运算方法，重点分析在不同温度和应力作用下碳纳米管表面不定型聚乙烯分子的径向分布函数（Radial Distribution Function， RDF）和取向分布函数的变化规律，同时利用计算机软件VMD观察界面形貌[9]，更深入地了解碳纳米管/不定型聚乙烯复合材料界面的形成机理，找出对体系结构和性质影响的关键因素并预测复合材料的机械性质，为新材料的设计和制造提供理论指导.

4 结 论

利用分子动力学数值仿真方法研究温度及拉伸应力对碳纳米管/不定型聚乙烯界面构型的影响，主要结论如下：

（1）在不同温度时，不定型聚乙烯在碳纳米管表面均形成两个吸附层，温度从600 K降低到50 K时，第一层吸附层逐步向碳纳米管靠近，距离由10.216 变为9.216 .

（2）第一吸附层的RDF值和局部取向参数都随着温度的降低而升高，在温度从600 K降低到50 K时，界面基体分子的RDF值和取向参数分别提高140%和119%.

（3）在低温时，整体取向参数随应变的增加而增加，应变为0～0.24时，高分子链整体取向参数提高19%.整体取向参数的变化与应力递增的趋势保持一致.

参考文献：

[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. 外力诱导吸附高分子单链的拉伸分子动力学研究[J]. 物理学报， 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] 刘佳， 赵莉， 吕中元. 聚乙烯链在碳纳米管侧壁吸附的动力学模拟研究[J]. 高等学校化学学报， 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