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化学修饰对石墨烯/聚合物复合材料界面及其特性影响的分子动力学模拟研究

作　者: 吕成
导　师: 薛庆忠
学　校: 中国石油大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 分子动力学模拟 石墨烯 界面结合 玻璃化转变温度 化学修饰
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


2004年Andre Geim教授首次利用机械剥离的方法制备出石墨烯,从此石墨烯由于其特殊的结构和性质引起了科学界的广泛关注。独特的二维sp~2-杂化的碳原子结构、电子输运的零质量狄拉克-费米子行为以及量子霍尔效应使得石墨烯在制备超导、传感器、场发射材料等高性能纳电子器件具有广阔的应用前景。此外,石墨烯在复合材料、气体分离膜、能量储存等领域也展现出了巨大的潜在应用。自石墨烯被报道成为世界上强度最高的物质以来,再加上其原料丰富、便宜、易得等优势,石墨烯在增强聚合物热学、力学、电学、光学等性能方面受到广泛关注,石墨烯有望代替碳纳米管成为新型的纳米填充材料。近几年来,许多实验研究表明添加少量的石墨烯到聚合物基体中可显著增强聚合物基复合材料的性能,而且复合材料的性质很大程度上由石墨烯与物质表面的界面结合情况所决定。由于复合材料中石墨烯与物质表面的微观界面结合机理十分复杂困难,实验研究很难实现系统的研究,所以计算模拟的方法被越来越广泛的应用到该领域中来解决这一难题。本文旨在利用计算模拟的方法研究石墨烯与聚合物的界面结合特性,以及研究化学修饰对复合材料性能的影响。首先,利用分子力学和分子动力学模拟的方法,我们研究了石墨烯表面上的化学官能团对石墨烯和聚合物之间界面结合特性的影响。模拟结果表明,石墨烯与聚合物之间的结合能和剪应力都会随着化学修饰量的增加而增加;而且,石墨烯表面上修饰的一些特殊的化学官能团在增强石墨和聚合物界面之间的剪切应力中扮演着重要作用。因此,在制备石墨烯/聚合物复合材料时,对石墨烯表面进行化学改性可能是增强石墨烯与聚合物之间应力传递的有效方法,而选取合适的修饰浓度和恰当的修饰基团是应该考虑的两个非常重要的因素。此外,影响复合材料制备及其应用的一个关键问题是在微观层面上了解无机/有机纳米颗粒填充聚合物基体的增强机理。我们进一步通过对复合材料进行了一个降温的模拟过程,研究了复合材料的玻璃化转变温度。计算结果表明在聚合物基体中填加功能化的石墨稀纳米填料可以较大幅度地提高复合材料的玻璃化转变温度。聚合物链的均方位移及玻璃化温度等结果表明石墨烯上修饰的化学基团能够有效地限制聚合物链的运动性。此外,复合材料的热膨胀系数与石墨烯在聚合物基体中的布朗运动及其自身的声子振动有关。模拟的结果得到了与实验结论相一致的变化趋势,该计算方法可以有效地预测复合材料的玻璃化转变温度。本文的模拟结果从微观上给石墨烯增强聚合物复合材料的制备、以及复合材料在喷漆、涂层、成型等方面的应用提供了理论指导,可以帮助缩短新材料研制的周期,降低研究成本。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章 绪论  11-20
  1.1 前言  11-12
  1.2 石墨烯的介绍  12-15
    1.2.1 石墨烯的制备及其新进展  13-14
    1.2.2 功能化石墨烯及其应用  14-15
  1.3 石墨稀/聚合物纳米复合材料  15-18
    1.3.1 导电性能  16
    1.3.2 热学性能  16-17
    1.3.3 机械性能  17
    1.3.4 热力学重排转变  17-18
    1.3.5 气体渗透  18
    1.3.6 热力学稳定性  18
  1.4 本文的技术路线及研究内容  18-20
第二章 计算机分子模拟方法  20-27
  2.1 软件及模块的介绍  20-21
  2.2 分子动力学模拟  21-25
    2.2.1 粒子系综  21-22
    2.2.2 位能模型  22
    2.2.3 应力场的选择  22-24
    2.2.4 分子动力学计算  24-25
  2.5 计算机模拟方法在聚合物研究中的应用  25-27
第三章 化学修饰对复合材料界面的影响  27-40
  3.1 前言  27
  3.2 模型构建与模拟方法  27-30
    3.2.1 石墨烯/聚合物复合材料模型的构建  27-29
    3.2.2 模拟方法  29-30
  3.3 计算结果与讨论  30-38
    3.3.1 石墨烯与聚合物基体的界面结合  30-32
    3.3.2 化学修饰程度对界面粘附性的影响  32-35
    3.3.3 不同修饰基团的影响  35-38
  3.4 本章小结  38-40
第四章 化学修饰基团对石墨稀/聚合物复合材料玻璃化转变温度的影响  40-51
  4.1 前言  40
  4.2 模型的构建及模拟方法  40-43
    4.2.1 模型的构建  40-41
    4.2.2 模拟方法  41-43
  4.3 计算结果与讨论  43-50
    4.3.1 复合材料的玻璃化转变温度模拟及化学修饰的影响  43-47
    4.3.2 非键能随温度变化的模拟结果  47-49
    4.3.3 复合材料的热膨胀  49-50
  4.4 本章小结  50-51
结论  51-53
参考文献  53-65
攻读硕士学位期间取得的学术成果  65-66
致谢  66

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 非金属复合材料
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