4.POSS纳米杂化材料分子结构对力学性能的影响.doc

POSS纳米杂化材料力学性质与分子结构的关系 曾凡林 孙毅 胡恩来 李君 (哈尔滨工业大学航天科学与力学系，哈尔滨工业大学344信箱， 150001) 摘要：用分子动力学模拟方法研究了PN、C5PN、C6PN、GPDP、TSCP这5种材料在不同温度下的力学性能。通过研究连接不同POSS单体的POSS有机无机纳米杂化材料在不同温度下的力学参数得到了POSS单体结构对POSS纳米杂化材料力学性能的影响。通过研究具有不同分子结构的POSS有机无机纳米杂化材料在不同温度下的力学参数，得到了分子结构对POSS纳米杂化材料力学性能的影响。考虑基相材料的力学参数、POSS单体的力学参数、POSS的单体“密度”、POSS单体与基相材料分子链之间的耦合作用以及POSS单体之间的相互耦合作用5个因素影响，建立了预报POSS有机无机纳米杂化材料在常温下力学性能的预报公式。公式形式简单、物理意义明确，预测结果与实际计算结果吻合良好，特别对POSS有机无机纳米杂化材料中由于分子结构的不同而造成的力学性能之间的巨大差异有着很好的区分效果。同时该公式还揭示了这种差异的本质来源于POSS单体与基相材料分子链之间成键数目的差异，这也为该公式预测介于这三种结构之间的POSS有机无机纳米杂化材料的力学性能提供了依据。 关键词：POSS, 分子动力学模拟, 力学参数, 预报公式 前 言 多面体低聚倍半硅氧烷（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane, 简称POSS）是一类结构简式为(RSiO1.5)n（n≥4且为偶数，R=H、烷基、芳基或有机官能基团）的化合物。这类化合物能够与常规高分子材料的分子链化学结合从而形成POSS有机无机纳米杂化材料[1]。与常规的高分子聚合物相比，POSS有机无机纳米杂化材料具有了一系列优异的力学物理性能，包括耐磨性、耐高温性、高硬度、高强度等[2-4]。依据化学反应前体及合成条件的不同，能形成三种不同分子结构的POSS纳米杂化材料，分别是悬笼式、串凳式和空间网状式结构。不同结构的POSS纳米杂化材料在力学性能上有很大差别[5]。除此之外，POSS单体的不同以及其与高分子链间的结合方式、键合参数等都会对材料的最终性能产生影响。本文通过对PN、C5PN、C6PN、GPDP和TSCP这５种具有不同分子结构的POSS纳米杂化材料的分子动力学模拟结果的研究，得到了得到了分子结构对POSS 纳米杂化材料力学性能的影响，构建了一个简单的预报POSS纳米杂化材料在常温下力学性能的预报公式。 1. 分子模型及模拟模型 研究的对象为普通的聚降冰片烯（PN）聚合物、环戊烷POSS（C5-POSS）聚降冰片烯（C5PN）、环己烷POSS（C6-POSS）聚降冰片烯（C6PN）、γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷与乙二氨的聚合物（GPDP）和三甲氧基硅基环戊烷POSS聚合物（TSCP）。其分子结构分别如图1－图5所示。考虑到计算机容量和模拟精度，PN分子链的长度为100，即图1中n=50。这样单个PN分子链含有1702个原子。在C5PN和C6PN中，C5POSS和C6POSS的摩尔分数均为10%（这样可以方便两者之间的比较），分子链的长度为100，这样在每个C5PN和C6PN分子中就分别含有10个C5POSS和10个C6POSS单体。为了分散均匀，分别让每10个降冰片烯单体上连接一个C5POSS和C6 POSS单体。每个C5PN和C6PN分子链分别含有2932 和3142个原子。对GPDP来说，从图４可以看到，n可以达到一个很大的数值，但是在实际分子动力学模拟中，不可能构建太长的分子链。结合实际情况４取n=4，即每个分子链中含有8个POSS单体，分子链末端使用开环结构，即包含R枝链。这样一个GPDP分子含有1544个原子。对TSCP来说，其分子结构是一种空间展开的网状结构，在构建其分子模型时只能选取其中的一部分作为代表。　本文取一个包含有7个POSS单体的结构来代替，在这个结构中，一个POSS单体居中，其前后上下左右分别连接有一个POSS单体，构成了最基本的空间网状结构，如图5所示。一个TSCP分子含有1548个原子。 分子动力学模拟采用正六面体的立方元胞。PN的模拟元胞含有2个PN分子链，密度取0.96g/cm3，元胞的尺寸为31.96?，含有3404个原子。C5PN和C6PN的模拟元胞同样选择包含有2个分子链的结构，因为两者都在PN分子链上结合了密度稍高的POSS单体，因此模型密度要稍高于PN，分别取为1.08 g/cm3和1.09 g/cm3，模型尺寸分别为38.60 ?和39.13?，分别包含5864个原子和6284个原子。GPDP的元胞模型中包含3个GPDP分子，含有4632个原子，元胞密度为0.95g/c