【摘要】：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是典型的半晶聚合物,由于其獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu),使其具有特殊功能和用途,如耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、自潤(rùn)滑、吸收沖擊能等特殊性能。因此,UHMWPE大量應(yīng)用于國(guó)防軍工、航天航空、化工、運(yùn)動(dòng)器材、紡織、石油天然氣輸送等領(lǐng)域。本文主要通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬,研究了半晶UHMWPE在拉伸過(guò)程中結(jié)構(gòu)的演變。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了半晶UHMWPE微孔結(jié)構(gòu)在熱處理過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變。本文主要開(kāi)展了以下工作:(1)采用粗�；肿觿�(dòng)力學(xué)模擬半晶UHMWPE在拉伸中結(jié)構(gòu)的演變,討論了溫度、拉伸速率和馳豫時(shí)間對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響,通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)演變圖、取向度、數(shù)密度、徑向分布函數(shù)等方法觀察拉伸過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變化;最后,通過(guò)能量演變圖分析拉伸過(guò)程中的主要驅(qū)動(dòng)力。研究結(jié)果表明:半晶UHMWPE拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線是一個(gè)典型的拉伸行為,即由彈性階段、屈服階段、應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化過(guò)程組成。隨著拉伸溫度的升高,楊氏模量、屈服應(yīng)力逐漸減小;隨著拉伸速率降低,楊氏模量、屈服應(yīng)力也表現(xiàn)出明顯的降低;馳豫時(shí)間對(duì)應(yīng)力應(yīng)變行為沒(méi)有太大的影響。在彈性變形階段,半晶UHMWPE中非晶區(qū)域的分子鏈發(fā)生取向,使得取向度增加,纏結(jié)度下降,徑向分布函數(shù)峰值升高,由于沒(méi)有明顯的微孔形成,Z軸數(shù)密度沒(méi)有太大變化;在屈服階段,半晶UHMWPE的片晶開(kāi)始發(fā)生滑移,取向度沒(méi)有明顯的變化,纏結(jié)度、徑向分布函數(shù)有一定程度的增加,由于微孔開(kāi)始形成,可以觀察Z軸數(shù)密度有些區(qū)域開(kāi)始下降;在應(yīng)變軟化階段,半晶UHMWPE的片晶開(kāi)始破碎,使取向度、纏結(jié)度有一定程度的降低,徑向分布函數(shù)的長(zhǎng)程有序度降低,同時(shí),微孔開(kāi)始逐漸變大,從Z軸數(shù)密度可以觀察到數(shù)密度降低區(qū)域開(kāi)始變大;在應(yīng)變硬化階段,UHMWPE分子鏈開(kāi)始再次取向,取向度增加,纏結(jié)度下降,徑向分布函數(shù)峰值升高、峰數(shù)量增多,此時(shí),微孔繼續(xù)生長(zhǎng)成大的孔洞,從Z軸數(shù)密度可以觀察到數(shù)密度降低區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大。最后,從能量角度可以看出,在應(yīng)變軟化階段之前,非鍵作用能是發(fā)生UHMWPE結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)力,而在應(yīng)變硬化階段,鍵能是拉伸過(guò)程結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)力。(2)為了研究熱處理方法對(duì)UHMWPE微孔結(jié)構(gòu)的影響,我們通過(guò)V-T方式測(cè)定了初始結(jié)構(gòu)的熔化溫度,并基于該溫度對(duì)UHMWPE微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱處理。熱處理的方法有等溫、降溫、升溫三種。等溫處理時(shí),從Z軸數(shù)密度值變化可以得知,有些微孔會(huì)發(fā)生愈合,有些微孔會(huì)逐漸生長(zhǎng)成更大的孔洞;從徑向分布函數(shù)演變圖可以推測(cè),在300K、350K下等溫處理時(shí),UHMWPE結(jié)構(gòu)變化主要是由于低溫處理使體系發(fā)生緩慢的重結(jié)晶,在400K等溫處理時(shí),UHMWPE結(jié)構(gòu)變化主要是高溫使體系熔融態(tài)靠近造成粒子的無(wú)序運(yùn)動(dòng);降溫處理時(shí),從Z軸數(shù)密度可以看出,UHMWPE微孔會(huì)發(fā)生愈合,有些微孔則變?yōu)榇蟮目锥?從徑向分布函數(shù)變化趨勢(shì)可以推測(cè),降溫過(guò)程UHMWPE微孔結(jié)構(gòu)變化主要是重結(jié)晶造成的。升溫處理時(shí),我們同樣可以從Z軸數(shù)密度得知,升溫處理會(huì)使微孔愈合,也同樣會(huì)有微孔生長(zhǎng)成大的孔洞;從徑向分布函數(shù)圖可以知道,在升溫過(guò)程,UHMWPE結(jié)構(gòu)的變化主要原因可歸結(jié)于體系向熔融態(tài)靠近以及粒子無(wú)序運(yùn)動(dòng)。最后,從能量角度分析,等溫過(guò)程,鍵合作用能和非鍵作用能度沒(méi)有太大變化,由此推測(cè)是孔洞表面能起主要作用;降溫過(guò)程,非鍵能起主要作用,而對(duì)于升溫方式,快速升溫是動(dòng)能和勢(shì)能起主要作用,對(duì)于緩慢的升溫過(guò)程,推測(cè)是孔洞表面能起主要作用。
【圖文】：

分子動(dòng)力學(xué)模擬超高分子量聚乙烯第 1 章 緒論1.1 聚乙烯聚乙烯 (PE) 是目前最常用的熱塑性聚合物之一，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域[1]。圖 1.1 為 PE 的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。聚乙烯是由 C、H 原子組成的長(zhǎng)鏈聚合物[2]，具有質(zhì)量密度低、耐磨、耐有機(jī)溶劑、電絕緣、抗疲勞等特性。

聚乙烯聚乙烯 (PE) 是目前最常用的熱塑性聚合物之一，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工 1.1 為 PE 的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。聚乙烯是由 C、H 原子組成的長(zhǎng)鏈聚合物[2]，低、耐磨、耐有機(jī)溶劑、電絕緣、抗疲勞等特性。圖 1.1 A 為乙烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；B 為聚乙烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig 1.1 A is the structure of ethylene; B is the structure of polyethylene市場(chǎng)上按照密度將聚乙烯分成高密度聚乙烯 (HDPE)、中密度聚乙烯 (M低密度聚乙烯 (LLDPE) 和低密度聚乙烯 (LDPE)[3]，不同密度聚乙烯的模如圖 1.2 所示。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O632.12

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2702205