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聚酰亚胺/钽铌酸钾纳米颗粒复合材料结构与机械性能分子动力学模拟

林家齐 李晓康 杨文龙 孙洪国 谢志滨 修翰江 雷清泉

聚酰亚胺/钽铌酸钾纳米颗粒复合材料结构与机械性能分子动力学模拟

林家齐, 李晓康, 杨文龙, 孙洪国, 谢志滨, 修翰江, 雷清泉
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  • 利用多尺度建模方法构建了聚酰亚胺/钽铌酸钾纳米颗粒复合物模型, 通过分子动力学模拟研究了不同尺寸钽铌酸钾纳米颗粒(5.5, 8.0, 9.4, 10.5, 11.5 Å)对复合材料的结构、弹性模量和相互作用能的影响规律, 并通过计算纳米颗粒表面原子键能和单位表面积原子数目探究了复合物机械性能提高的内部机理. 聚酰亚胺和聚酰亚胺/钽铌酸钾复合材料的杨氏模量分别为2.91和3.17 GPa, 泊松比分别为0.37和0.35, 钽铌酸钾纳米颗粒的引入可以显著改善聚酰亚胺的机械性能. 纳米颗粒表面原子的键能为8.62-54.37 kJ·mol-1, 表明颗粒与基体主要通过范德华力作用结合且有氢键存在. 计算结果表明, 相同掺杂比例下, 纳米颗粒尺寸越小, 纳米颗粒表面原子数目越大, 颗粒与基体作用更强, 杨氏模量的提高幅度越大, 尺寸效应越显著. 因此, 掺杂小尺寸纳米颗粒是提高聚酰亚胺机械性能的有效途径.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:11444004)、黑龙江省自然科学基金(批准号:E201258)和哈尔滨市科技创新人才研究专项资金优秀学科带头人项目(批准号:2013RFXXJ068)资助的课题.
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-06-08
  • 修回日期:  2015-01-14
  • 刊出日期:  2015-06-05

聚酰亚胺/钽铌酸钾纳米颗粒复合材料结构与机械性能分子动力学模拟

  • 1. 哈尔滨理工大学应用科学学院, 哈尔滨 150080;
  • 2. 哈尔滨理工大学, 工程电介质及其应用教育部重点实验室, 哈尔滨 150080;
  • 3. 中国科学院长春应用化学研究所高分子复合材料工程实验室, 长春 130022
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:11444004)、黑龙江省自然科学基金(批准号:E201258)和哈尔滨市科技创新人才研究专项资金优秀学科带头人项目(批准号:2013RFXXJ068)资助的课题.

摘要: 利用多尺度建模方法构建了聚酰亚胺/钽铌酸钾纳米颗粒复合物模型, 通过分子动力学模拟研究了不同尺寸钽铌酸钾纳米颗粒(5.5, 8.0, 9.4, 10.5, 11.5 Å)对复合材料的结构、弹性模量和相互作用能的影响规律, 并通过计算纳米颗粒表面原子键能和单位表面积原子数目探究了复合物机械性能提高的内部机理. 聚酰亚胺和聚酰亚胺/钽铌酸钾复合材料的杨氏模量分别为2.91和3.17 GPa, 泊松比分别为0.37和0.35, 钽铌酸钾纳米颗粒的引入可以显著改善聚酰亚胺的机械性能. 纳米颗粒表面原子的键能为8.62-54.37 kJ·mol-1, 表明颗粒与基体主要通过范德华力作用结合且有氢键存在. 计算结果表明, 相同掺杂比例下, 纳米颗粒尺寸越小, 纳米颗粒表面原子数目越大, 颗粒与基体作用更强, 杨氏模量的提高幅度越大, 尺寸效应越显著. 因此, 掺杂小尺寸纳米颗粒是提高聚酰亚胺机械性能的有效途径.

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参考文献 (42)

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