高分子材料納米壓痕表征的分子模擬與實驗研究.pdf

1、納米壓痕法已成為表征各類高分子薄膜及其涂層的硬度和模量的主要方法，然而這種方法的使用卻伴隨著一種尺度效應(yīng)——硬度和彈性模量值會隨著最大壓痕深度的減小而增加。尺度效應(yīng)是材料的一種固有屬性，我們的所有研究旨在找到一個能準(zhǔn)確描述這種固有屬性的硬度模型。然而，現(xiàn)有的硬度模型都是在實驗的基礎(chǔ)上得到的，而來自實驗方面的因素也會引起尺度效應(yīng)，所以現(xiàn)有的模型并不能真正反映作為固有屬性存在的尺度效應(yīng)規(guī)律。本文的主要研究內(nèi)容在于利用分子模擬消除來自實驗方面

2、的影響，從而提供了一種建立納米壓痕硬度模型的方法。我們選擇了PE和PVAC兩種材料進行模擬。最后選擇環(huán)氧樹脂和一種摻雜了少量Au納米粒子的PVAC進行納米壓痕實驗研究。
　　本文首先介紹了分子力學(xué)模擬和分子動力學(xué)模擬的基本原理，并詳細(xì)給出了應(yīng)用于PE和PVAC模擬的PCFF力場函數(shù)式和參數(shù)，其對于詳細(xì)地理解PCFF力場具有很好的參考價值。采用分子動力學(xué)方法計算了PE和PVAC的基本彈性常數(shù)，提供了具有指導(dǎo)意義的聚合物建模方法和模擬

3、技術(shù)。
　　采用分子力學(xué)方法模擬了PE和PVAC的納米壓痕表征。詳細(xì)分析了他們的變形機制。在加載過程中，基體首先出現(xiàn)彈性變形，當(dāng)載荷達到一個峰值后，基體出現(xiàn)分子鏈的滑移和不可逆旋轉(zhuǎn)(塑性變形)，載荷隨即突降；接著在載荷突降點至下一個載荷峰值這個過程中，基體又出現(xiàn)彈性變形；到達第二個載荷峰值后，基體再次塑性變形，如此交替，直至加載結(jié)束。這個清晰的過程更好的解釋了載荷-位移曲線的鋸齒狀。
　　本文給出了在分子力學(xué)模擬中計算圓臺壓

4、頭下高分子材料的硬度的一種方法，并用這種方法建立了一個能夠描述尺度效應(yīng)的硬度模型。由于納米壓痕的分子力學(xué)模擬完全消除了實驗中的各種影響因素，所以這個硬度模型能真正反映作為固有屬性存在的尺度效應(yīng)規(guī)律。本文最后對環(huán)氧樹脂和一種PVAC復(fù)合材料進行了納米壓痕實驗研究，利用模擬中給出的建立硬度模型的方法，我們建立了一個能夠很好描述實驗數(shù)據(jù)的硬度模型。
　　本文提供的分子建模方法對于其他分子建模具有很好的借鑒意義，給出的硬度計算方法對于在分