聚乙烯材料导热性能的粗粒化分子模拟研究

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高分子聚合物材料因具有耐腐蚀、低密度、易加工和低成本等优点而被广泛使用。但传统的高分子聚合物材料通常导热性能差,限制了它们的应用范围。有序化高分子聚合物的方法不仅能实现导热性能的大幅提升,并且能保持其原有的优势。机械拉伸法是一种常用的有序化方法,其加工工艺和参数对有序化的效果有重要影响。目前,已有实验和全原子分子动力学模拟研究有序化高分子聚合物的导热性能,但实验无法准确地观测到其内部的分子形态结构,而全原子分子动力学模拟无法达到研究有序化加工参数所需的时间和空间尺度。因此,建立适用于有序化高分子聚合物导热大规模计算的分子模拟力场和方法,研究有序化加工工艺和操作参数对热导率的影响,可为实现大规模有序化材料的生产提供理论依据与指导,具有重要的理论和应用价值。本文首先基于全原子分子动力学模拟,采用重现体块聚乙烯的结构性质和单链聚乙烯的热导率的方法,建立了聚乙烯导热的粗粒化(CG)力场,并对其进行验证。结果表明,该CG力场以5个亚甲基(-CH2-)作为一个粗粒化珠子,并以Morse势函数分别描述键伸缩势能和非键结势能,以余弦函数描述键角弯曲势能;能够较准确地预测体块聚乙烯在300 K和500 K下的结构性质、热力学性质以及300下单链和体块聚乙烯的热导率;同时也能够准确地重现体块聚乙烯的相变过程,表明了CG力场的准确性。此外,CG力场的理论计算效率达到了AIREBO力场的9000倍。其次,本文研究了应变大小、拉伸温度和应变速率对热拉伸聚乙烯沿平行于拉伸方向的取向有序度和结晶度的影响。结果表明,随着应变的增大,通常分子链沿拉伸方向的取向度先逐渐增大后保持不变,而在过大的应变速率下取向度先增大后减小;相同应变速率条件下中等的拉伸温度可实现更高的取向有序度;相同拉伸温度条件下中等的应变速率可实现最大的取向有序度;应变大小、拉伸温度和应变速率对结晶度的影响与它们对取向有序度的影响相似;随着拉伸温度从400 K提高到600 K,实现最大取向有序度和最高结晶度的最佳应变速率均从5×106 s-1增大到5×108 s-1。此外,拉伸温度和应变速率对取向有序度和结晶度的影响受到聚乙烯分子弛豫和退火前系统空隙的主导。最后,本文研究了应变大小、拉伸温度和应变速率对热拉伸聚乙烯导热性能的影响,同时建立了形态结构与热导率的关系,还分析了热拉伸聚乙烯导热的声子机理。结果表明,随着应变的增大,热导率逐渐增大,其中键伸缩作用对热导率的贡献比例最大;相同应变速率下,中等拉伸温度下可实现最大的热导率;相同拉伸温度下,中等应变速率可实现最大的热导率;在拉伸温度为400 K、应变速率为5×106 s-1下,应变为10时,热导率达到最高值1.54 W/(m?K),是未拉伸聚乙烯热导率的14.6倍;热拉伸聚乙烯热导率受到取向有序度和结晶度的共同影响,并分别与它们呈正相关关系;所建的热导率预测模型的预测值与模拟值的平均相对偏差等于14.5%,表明该模型具有一定的准确性;热拉伸聚乙烯热导率的提高主要源于声子本征自由程的增大和纵向声子群速度的提高。
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