Молекулярно-динамическое моделирование структуры и свойств нанокомпозита с шунгитовым наполнителем

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Механика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
МЕХАНИКА 2008. Вып. 2
УДК 539. 372
© О. И. Евстафьев, С. П. Копысов
МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НАНОКОМПОЗИТА С ШУНГИТОВЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ 1
Рассматривается молекулярно-динамическая модель деформирования наноком-позиционного материала с шунгитовым наполнителем.
Ключевые слова: молекулярно-динамическое моделирование, нанокомпозиты, шун-гит, прогнозирование физико-механических характеристик.
Введение
Рассматривается молекулярно-динамическая (МД) модель шунгитонапол-ненного композита. Интерес к использованию шунгитового наполнителя вызван следующим обстоятельством: доступностью шунгитовых пород и высоким содержанием в них углерода до 97 — 99%.
1. Представления о структуре шунгита
Шунгит — природное фуллереноподобное, неграфитирующееся углеродистое вещество. Существующие в настоящее время представления о структурном состоянии фуллереноподобных форм углерода являются весьма противоречивыми [1]. Основной единицей надмолекулярной структуры шунгита является глобула — плавно изогнутые пакеты углеродных слоев. Молекулярная структура шунгита характеризуется графитоподобным структурным порядком с увеличенными по сравнению с графитом межсеточными расстояниями.
2. Модель шунгита
На основании имеющихся данных, шунгитовый наполнитель моделировался пакетом из 5 гексагональных дефектных графитоподобных углеродных сеток, случайно развернутых относительно друг друга и содержащих от 397 до 422 атомов углерода.
хРабота выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 07−01−96 069-р урал).
180 О. И. Евстафьев, C. П. Копысов
МЕХАНИКА 2008. Вып. 2
3. Модель нанокомпозита
Математическая модель полимерного нанокомпозита состояла из пакета шунгитового наполнителя, окруженного 31 макромолекулой полиэтилена по 1100 мономерных единиц в каждой, что соответствовало 5% степени массового наполнения. Для получения равновесного состояния исследуемой системы при нормальных условиях T = 300K, P = 105Па потребовалось t = 1200пс, что при численном моделировании составило 600 000 шагов, с шагом по времени At = 0. 002пс или порядка 70 часов счетного времени на шести процессорах кластера Paraclete ИПМ УрО РАН. При релаксации до равновесного состояния контролировались энергетические и термодинамические параметры молекулярной системы композита.
4. Модель деформирования композита
Моделировались три различные схемы деформирования нанокомпозита: одноосное растяжение параллельно углеродным сеткам- одноосное растяжение в направлении поперечном сеткам- нагружение образца внешним давлением для определения упругих характеристик нанокомпозита по методике, предложенной в статье [2]. При моделировании одноосного растяжения композита использовался канонический МД-ансамбль NVT, моделирование нагружения материала внешним давлением осуществлялось в МД-ансамбле NPT. Для анализа напряженно-деформированного состояния материала использовался тензор вириальных напряжений и его инварианты.
На рис. 1, 2 приведены некоторые результаты МД-моделирования механического поведения полимерного нанокомпозита с шунгитовым наполнителем. Из зависимостей главного напряжения Oi в направлении растяжения от времени видно, что нанокомпозит с шунгитовым наполнителем проявляет выраженную анизотропию механического поведения. Кроме того, из анализа результатов моделирования деформирования образцов можно сделать вывод, что участки макромолекул в непосредственной близости от частицы шунгита испытывают меньшие деформации, чем в глубине полимерной матрицы, где появляются фрагменты полимерных цепей, ориентированные в направлении растяжения.
Получены эффективные упругие характеристики материала (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль объемного сжатия). Проведено сравнение полученных характеристик с другими композитами и полимерами.
Молекулярно-динамическое моделирование
181
Рис. 1. Зависимость о при различных Рис. 2. Структура нанокомпозита при
схемах деформирования растяжении (деформация 25%) вдоль
углеродных сеток
* * *
1. Ковалевский В. В. Углеродистое вещество шунгит: Структура, генезис, классификация: Автореф. дис. … д-ра геолог. -мин. наук. Сыктывкар: Ин-т геологии УрО РАН, 2007. 37 с.
2. Евстафьев О. И., Копысов С. П. Определение эффективных упругих характеристик полимерных нанокомпозитов при циклическом деформировании // Химическая физика и мезоскопия. 2007. Т. 9, № 4. C. 377−383.
Поступила в редакцию 15. 02. 08
O. I. Evstafiev, S. P. Kopysov
Molecular dynamic modelling of the structure and behavior for nanocomposites with shungit
А method of molecular-dynamic modelling is proposed for forecasting the structure and physical-mechanical behaviour of polymer nanocomposites with Shungit and for estimating the effective characterictics.
Евстафьев Олег Иванович Институт прикладной механики УрО РАН, 426 067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 E-mail: ole1965@gmail. com
Копысов Сергей Петрович Институт прикладной механики УрО РАН, 426 067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 E-mail: s. kopysov@gmail. com

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой