碳纖維由于其優(yōu)異的材料性能,而受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用,其需求量一直在增加。碳纖維工藝生產(chǎn)線較長(zhǎng),其中占主導(dǎo)作用的是原絲的熱穩(wěn)定化過(guò)程。然而,原絲熱穩(wěn)定化過(guò)程非常復(fù)雜,包含了各種物理和化學(xué)變化�，F(xiàn)有的研究多數(shù)集中在宏觀層面,微觀層面的研究嚴(yán)重不足,人們對(duì)其微觀過(guò)程的認(rèn)識(shí)非常有限。因此,本文利用分子動(dòng)力學(xué)模擬,從原子尺度對(duì)原絲熱穩(wěn)定化的微觀過(guò)程進(jìn)行了探索,分析反應(yīng)機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:（1）通過(guò)反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬,分別研究了等離子體中的氨基自由基、羥基自由基、氧自由基,與聚丙烯腈（PAN）分子鏈在熱穩(wěn)定化條件下的相互作用與反應(yīng)過(guò)程。研究結(jié)果表明,氨基自由基對(duì)PAN分子鏈的熱穩(wěn)定化幾乎沒(méi)有影響;羥基自由基能與PAN分子發(fā)生反應(yīng),不僅能在主鏈上引入氧或者羥基,還可以將腈基中的三鍵打開(kāi)成為雙鍵,使腈基活化;這有助于原絲在加熱過(guò)程中,形成耐熱的梯形結(jié)構(gòu);氧自由基的活性太高,雖然能快速地將氰基的碳氮三鍵轉(zhuǎn)變?yōu)樘嫉p鍵,但也會(huì)迅速地將主鏈氧化,導(dǎo)致分子鏈斷裂成短的鏈段,不利于形成連續(xù)的梯形結(jié)構(gòu)。（2）為了探索不同的基團(tuán)對(duì)碳氮環(huán)化反應(yīng)的影響,分別模擬了腈基被羥基和氫加成的PAN分子鏈的熱穩(wěn)定化過(guò)... 

【文章來(lái)源】：北京化工大學(xué)北京市211工程院校教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：86 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖１－１１原絲氧化反應(yīng)形成酮基丨３１］??［３１］??

?北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文???開(kāi)始初始化??Ｉ??分子的原始信，ｉｂｉ：如位置、??根據(jù)勢(shì)能函數(shù)計(jì)算出分??子的受力及加速度??求解運(yùn)動(dòng)微積分＊方程得到下一時(shí)??刻分子的位置和速度???ｉ???對(duì)分子信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)采樣，計(jì)算??出相應(yīng)的物理量???充足’體系是??曰??Ｉ疋??輸出所需的統(tǒng)計(jì)結(jié)果??丄??結(jié)束??圖１－１３分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程??Ｆｉｇ．?１－１３?Ｆｌｏｗ?ｃｈａｒｔ?ｏｆ?ｍｏｌｅｃｕｌａｒ?ｄｙｎａｍｉｃｓ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??ｒ（ｔ?＋?Ｓｔ）?＝?２ｒ（ｔ）－ｒ（ｔ－Ｓｔ）＋Ｓｔ２ａ（ｔ）?式（１．１）??ｖ（／）?＝?［ｒ（／?＋?Ｓｔ）－ｒ｛ｔ￣／２Ｓｔ?式（１－２）??假設(shè)一個(gè)含有ｎ個(gè)原子或者分子的分子模擬系統(tǒng)，總能量是系統(tǒng)中分子的動(dòng)能與??勢(shì)能之和。分子系統(tǒng)總動(dòng)能與溫度正相關(guān)，分子總勢(shì)能可以認(rèn)為是各原子的位置函數(shù)，??通常總勢(shì)能可以分為分子內(nèi)成鍵勢(shì)能１；？？和分子間（分子內(nèi)原子）的非鍵范德華Ｕｖｄｗ??作用［３９］，勢(shì)能的單位通常為ＫＪ／ｍｏｌ，通常分子內(nèi)成鍵勢(shì)能往往大于范德華作用。分子??內(nèi)成鍵勢(shì)能在不同的力場(chǎng)中的勢(shì)能函數(shù)表達(dá)式不相同，而范德華作用可以近似的表達(dá)??為各原子對(duì)的范德華勢(shì)總和，如公式１－３、１－４所示。??Ｃ／?＝?Ｋ?式（１－３）??ＵＶＤＷ?＝?Ｚ?Ｚ?Ｗ�。蓿�?式（１＊４）??／＝１?ｊ＾ｉ＋１??式中，ｒｙ為ｉ、ｊ兩原子間距，叫是ｉ、ｊ兩原子間的范德華勢(shì)??系統(tǒng)中粒子ｉ所受的力是勢(shì)能的梯度，根據(jù)勢(shì)能函數(shù)求解每個(gè)粒子所受到的力１＃，??９??

?北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文???再用粒子所受的力求導(dǎo)可以算出加速度，如公式］－５、１－６所示??／；＝－▽?zhuān)?式（１－５）??ａ：＝—?式（１－６）??ｍ，??再求解粒子的微分運(yùn)動(dòng)方程，更新粒子下一時(shí)刻的位置及速度，如公式１－７￣１－９??所示??ｄ１?ｄ?迕，，，、??ｄｔ２?ｄｔ??ｒ?＝?ｒ°?＋?ｖ°?＋—ａｔ２?式（１－８）??２??ｒ?＝?ｒ°?＋?ｖ°?＋—ａｔ２?式（１－９）??２??式中：上標(biāo)“０”為物理量的初始值。??除此之外分子動(dòng)力學(xué)模擬還有幾個(gè)比較重要的概念，一是周期性邊界條件，如圖??１－１４所示，當(dāng)系統(tǒng)邊界中有粒子穿過(guò)邊界時(shí)，對(duì)應(yīng)就有粒子從相反的邊界進(jìn)入盒子，??這樣盒子中的粒子總數(shù)保持不變［４｜］。二是系綜，系綜指的是相同條件的集合，它是統(tǒng)??計(jì)學(xué)中的概念，模擬系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)量和熱力學(xué)信息都是根據(jù)系綜來(lái)推出的。比如正則系??綜就是保持體系的粒子數(shù)Ｎ、體積Ｖ、溫度Ｔ不變，不同的系綜適用于不同的研宄??條件。??①（Ｄ①（Ｄ①？??④？?④④④（Ｄ??？＿Ｑ??①（ｉ）截①？??（５）?Ｍ?Ｍ?＾?？??？?＾?＿：費(fèi)④王；??①念?？?＠?①②??④？?④？?④？??？?ｏ?１？?ｏ?１？?〇??圖１－１４周期性邊界條件??Ｆｉｇ．?１－１４?Ｐｅｒｉｏｄｉｃ?ｂｏｕｎｄａｒｙ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ州??１．３．２分子動(dòng)力學(xué)橫擬軟件??Ｌａｍｍｐｓ是材料領(lǐng)域廣泛使用的分子模擬軟件［４３】，由于它是開(kāi)源且免費(fèi)的，用戶??可以自行修改源代碼具有較好的移植性，支持多種常見(jiàn)的勢(shì)能函數(shù)，另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就??１０??

【參考文獻(xiàn)】：
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