本文關(guān)鍵詞：低密度聚合物的結(jié)構(gòu)特性理論研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本研究的目的是在理論上獲得二氧化硅氣凝膠（SA）和聚-α-甲基苯乙烯（PAMS）等典型低密度聚合物材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，考察SA的熱導(dǎo)特性及小分子吸附對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，并發(fā)展具體的理論研究方法。為此，本文中我們使用經(jīng)典分子動力學(xué)模擬方法研究了上述兩種低密度聚合物的結(jié)構(gòu)特性，并基于緊束縛密度泛函理論方法研究了水分子在多面體倍半硅氧烷表面的吸附行為，具體內(nèi)容包括： 首先，經(jīng)分子動力學(xué)模擬，建立起適合處理SA結(jié)構(gòu)研究的計算方法，即基于Tersoff勢加成鍵、電荷相互作用、L-J勢來作為經(jīng)驗力場研究不同密度SA的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的方法。設(shè)計出以T6(D3h)、T8(Oh)多面體倍半硅氧烷為頂點、Si-O四面體為側(cè)鏈的立方體SA模型。發(fā)現(xiàn)在周期性條件下，經(jīng)過充分的分子動力學(xué)弛豫，該模型仍保持框架穩(wěn)定。通過變化側(cè)鏈長度，設(shè)計出密度低于3mg/cm3的SA模型結(jié)構(gòu)，并給出相應(yīng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)模量。結(jié)果顯示，在彈性范圍內(nèi)，對SA體系施以壓力時，其抵抗形變的能力隨SA密度減小迅速降低，尤其當(dāng)密度減小到2.5mg/cm3左右時，SA的體壓縮模量甚至是降低1~2個數(shù)量級，這意味著低密度SA容易斷裂破碎。但在相同密度范圍內(nèi)，我們設(shè)計的立方體SA模型的體壓縮模量比通過實驗方法得到SA的彈性模量要高一個甚至兩個數(shù)量級，從這個角度上說，我們設(shè)計的立方體SA模型的力學(xué)性能較好，或者可以合成一種密度低但抗壓力較強的輕質(zhì)材料。另外，通過分析穩(wěn)定立方體氣凝膠模型的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SA密度足夠低、達(dá)到1.434mg/cm3時，輻射熱導(dǎo)率在量值上要比氣相熱導(dǎo)率、固相熱導(dǎo)率或氣固耦合熱導(dǎo)率高1個數(shù)量級，意味著熱輻射成為SA傳熱的主導(dǎo)方式，且熱導(dǎo)率的計算值約為0.277W/(m·K)，可見，密度越低，SA導(dǎo)熱率越高，因此可能通過降低材料密度的方法獲得所追求的輕質(zhì)導(dǎo)熱材料。 其次，為進一步探究空氣中水分子的吸附對SA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，運用引入色散作用項的量子緊束縛近似密度泛函方法研究了水分子與籠形結(jié)構(gòu)的多面體倍半硅氧烷（(HSiO3/2)n, n=4,6,8,10,12）表面之間的吸附特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：水分子均趨向于吸附在各籠的由Si-O-Si鍵圍成的圓環(huán)表面，且對于同一籠形結(jié)構(gòu)的表面吸附，體現(xiàn)出水分子所吸附的圓環(huán)表面原子數(shù)目越多，吸附能越大，氫鍵鍵長越短，，同時電荷轉(zhuǎn)移也越多的特點。無論對于哪種籠形結(jié)構(gòu)，水的吸附都引起了只在0.01e甚至更低量級上的從籠到水分子的電荷轉(zhuǎn)移，顯示吸附的水分子并不明顯影響多面體倍半硅氧烷自身的電子結(jié)構(gòu)。水分子的吸附僅在不大于0.15eV范圍內(nèi)減小系統(tǒng)的最高占據(jù)軌道（HOMO）與最低非占據(jù)軌道（LUMO）之間的能隙（孤立籠的能隙介于8.27-8.61eV之間），系統(tǒng)的能隙主要由多面體倍半硅氧烷本身特性決定。這些結(jié)果顯示多面體倍半硅氧烷對水分子的吸附體現(xiàn)出穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)特性，由此推斷，在以往實驗上以多面體倍半硅氧烷為前驅(qū)體得到的SA的吸水破裂信息，可能并不是由多面體倍半硅氧烷引起。 最后，通過基于量子第一性原理的力場參數(shù)構(gòu)建，使用經(jīng)典分子動力學(xué)模擬完成了不同分子量的PAMS材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性研究，獲得了相應(yīng)的應(yīng)變曲線和力學(xué)模量。在周期性邊界條件下，對于規(guī)則排列的PAMS長鏈系統(tǒng)，當(dāng)保持鏈的長度不變、增加體系內(nèi)長鏈的數(shù)目時，發(fā)現(xiàn)體系的壓縮模量也隨之增大，但總體上，模量范圍在108~109Pa之間，體現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性。反之，保持鏈的數(shù)目不變、增減鏈長度的模擬結(jié)果顯示，此時模量分布區(qū)間相較于前一種情況更窄，在108Pa附近。在此基礎(chǔ)上的非均一周期性條件模擬結(jié)果顯示，其模量分布仍然在108Pa附近。進一步地，長鏈兩端為非周期自由弛豫的情況模擬結(jié)果顯示，長鏈分子自聚集成團且模擬系統(tǒng)的模量均明顯升高，達(dá)到了1011Pa。而完全非周期性條件的模擬條件下，雖然弛豫過程具有明顯的隨機性，但在x、y、z各方向上的系統(tǒng)的模量均在108Pa附近，而多條鏈聚集成團的體系可以看做是自由弛豫的多個團之間的相互作用，其模量仍然在108Pa附近且與系統(tǒng)分子量的大小無關(guān)。
【關(guān)鍵詞】：SiO2氣凝膠 結(jié)構(gòu)特性 熱導(dǎo)率 吸附特性 聚-α-甲基苯乙烯
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O561
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 SiO_2氣凝膠12-19
• 1.1.1 SiO_2氣凝膠概述13-15
• 1.1.2 SiO_2氣凝膠的力學(xué)特性15-16
• 1.1.3 SiO_2氣凝膠的熱導(dǎo)率16-19
• 1.2 聚-α-甲基苯乙烯19-20
• 1.2.1 α-甲基苯乙烯19-20
• 1.2.2 聚-α-甲基苯乙烯20
• 1.3 研究目的及意義20-21
• 參考文獻21-26
• 第2章 理論背景與計算方法26-44
• 2.1 分子動力學(xué)模擬理論26-31
• 2.1.1 經(jīng)驗勢函數(shù)26-28
• 2.1.2 動力學(xué)的積分算法28-29
• 2.1.3 分子動力學(xué)模擬的系綜29-31
• 2.1.4 周期性邊界條件31
• 2.2 Tersoff 勢函數(shù)31-33
• 2.3 AIREBO 勢函數(shù)33-34
• 2.4 密度泛函理論34-35
• 2.5 緊束縛理論35-37
• 2.6 自洽電荷密度泛函緊束縛理論37-40
• 2.6.1 密度泛函緊束縛方法37-38
• 2.6.2 自洽電荷-密度泛函緊束縛近似方法38-40
• 參考文獻40-44
• 第3章 低密度二氧化硅氣凝膠的力學(xué)、熱學(xué)特性的理論研究44-68
• 3.1 引言44-45
• 3.2 計算細(xì)節(jié)45-47
• 3.3 結(jié)果與討論47-64
• 3.3.1 分子動力學(xué)模擬的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)47-48
• 3.3.2 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)48-53
• 3.3.3 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性質(zhì)53-64
• 3.3.3.1 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的等效模型Ⅰ54-59
• 3.3.3.2 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的等效模型Ⅱ59-64
• 3.4 結(jié)論64-65
• 參考文獻65-68
• 第4章 水分子在多面體倍半硅氧烷表面的吸附行為的理論研究68-84
• 4.1 引言68-69
• 4.2 計算細(xì)節(jié)69-71
• 4.3 結(jié)果與討論71-77
• 4.4 結(jié)論77
• 參考文獻77-84
• 第5章 低密度聚-α-甲基苯乙烯的力學(xué)特性的理論研究84-96
• 5.1 引言84-85
• 5.2 計算細(xì)節(jié)85-86
• 5.3 結(jié)果與討論86-92
• 5.3.1 周期性邊界條件下的結(jié)構(gòu)和模量86-89
• 5.3.1.1 鏈長度不變、數(shù)目改變的周期性結(jié)構(gòu)特性87-88
• 5.3.1.2 鏈數(shù)目不變、長度改變的周期性結(jié)構(gòu)特性88-89
• 5.3.1.3 不均一周期性結(jié)構(gòu)特性89
• 5.3.2 部分周期性邊界條件下的結(jié)構(gòu)和模量89-91
• 5.3.3 完全非周期性邊界條件下的結(jié)構(gòu)和模量91-92
• 5.4 結(jié)論92-93
• 參考文獻93-96
• 第6章 總結(jié)與展望96-100
• 6.1 總結(jié)96-98
• 6.2 展望98-100
• 作者在學(xué)期間所取得的科研成果100-102
• 致謝102-103

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 張占文;李波;唐永建;陳素芬;劉一楊;;聚-α-甲基苯乙烯熱降解產(chǎn)物研究[J];強激光與粒子束;2007年08期

2 葉安瑜;開發(fā)α─甲基苯乙烯的用途和市場[J];石化技術(shù);1994年03期

  本文關(guān)鍵詞：低密度聚合物的結(jié)構(gòu)特性理論研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：337401