有限元方法在二维纳米材料中的运用讲解(3)

2019-08-31 18:12

3高聚物邻域的纳米元分析 3.1高聚物场的产生

在图六中显示了一条简单的高聚物链段,该链段是随机排列的。开始单体是随机放置在聚合物领域。化学键长度限制在范围之间在Lmin和Lmax之间,而第二单体必须位于图六所示的阴影部分处。键角的选择是随机的。第三单体也以同样方式生成。随着这个过程进行会产生高聚物链段。

聚合物的形成过程正如如下步骤:首先,单体随机分布在所选区域的范围里。其次,加入更多的单体,产生高聚物链段,并且链段发生生长,形成高聚物场。这种随机的高聚物场并不是实际意义的高聚物,必须经历弛豫过程。因此在第三步在高分子领域运用不平衡力的计算每个原子和应用,后用来进行弛豫过程。最终形成一个原子域。下一步是检查的内部压力,对高分子领域这参数与单体密度有关。如果密度太大,会形成聚合物抗压的一个状态。如果密度太小,聚合物会处在一个拉升的状态。

通过下面的过程可以得到聚合物邻域的局部应力。在聚合物邻域中进行一次假象的切割。所有连接切割两边的化学键和兰纳-琼斯键都要被消除。在化学键和兰纳-琼斯键消除之前,每一个的原子灰处在平衡位置,这就意味着应用每个

原子的合力为零。但当化学键和兰纳-琼斯键移除后,单体附近就不再处于平衡位置。在每个部分的非平衡力量计算。这些相互作用的合力被分成左右两边的牵引,因此,内部压力是派生。

在本文中提供的例子,应力状态在聚合物领域的边界进行检查。单体在聚合物领域之外,生成符合周期性边界条件。我们沿着四方的虚构的削减,边界上的聚合物研究牵引作用。随后计算压力对体系的作用。通过调整聚合物实际密度,得到聚合物领域初始的零压力状态。

3.2聚合物纳米级元模型

聚合物链建模为化学键链。这些键连接附近的碳氢化合物单体,包括同一链和不同的链。在聚合物的每一个加载步骤,在聚合物变形过程中,不断地进行剔除和插入兰纳-琼斯元。这些参数已有其他研究者进行计算:

3.3聚合物场的刚度和强度

聚合物邻域在单向加载变形是模拟的。变形过程和破坏机理可以理解如下。在低压力,单体在附近不牵强附会的仓位,化学和兰纳-琼斯键近似线性力-位移关系。因此,整个聚合物领域将是一个近似线性系统。这可以解释最初的应力-应变的线性关系。聚合物链之间的距离增加与应变的增加,兰纳-琼斯元减少。因此聚合物刚度减少。兰纳-琼斯元持续减少,聚合物领域变得不那么均匀,从而出现孔隙。最终的结构聚合物领域失败。虽然没有对比实验是可能的,这个简化的二维高分子场的潜力,使聚合物纳米变形。

4.结论

在本文中提出了纳米元处理二维材料的方法。在计算二维纳米元的时候主要考虑两类纳米元:化学键元与兰纳-琼斯元。通过模拟一个简化的二位高分子场来生成基于宏观应力与应变的相互作用和分子力场。当我们一步一步地使高分子进行变形,可以观察到纳米级孔隙、高分子的凝聚和裂缝形成现象。而实际的高聚物是三维结构的,因此不可能建立一个互相交缠的聚合物场,所以才是使用的简化二维场。为了定量分析刚度、强度和失效机理,聚合物的三维结构模型的建立是必须的,而这也是目前的研究方向。

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