基于恒应变方法的碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的粗粒化力场开发

研究设计了聚酰亚胺(PI)和碳纳米管(CNT)的粗粒化映射方案,基于应变能守恒的恒应变方法获取了CNT/PI复合材料的粗粒化力场参数。利用粗粒化力场参数模拟CNT与PI分子链的拉伸刚度、CNT与PI基体的界面相互作用以及CNT/PI复合材料的杨氏模量,通过比较全原子与粗粒化模拟结果的匹配程度验证了粗粒化力场参数的准确性。探讨了范德华势函数的平衡距离(r0)和势阱参数(D0)对粗粒化模型的密度、CNT与PI基体的界面相互作用以及纳米复合材料的杨氏模量的影响规律。结果表明:所提出的恒应变方法及利用其获得的粗粒化力场参数可以准确还原出纳米复合材料的相关物理性能。r0增加,模型密度减小,D0增加,CNT与PI基体的界面相互作用与纳米复合材料的杨氏模量增大。

基于粗粒化方法的类超级碳纳米管自由振动研究

超级碳纳米管是在碳纳米管结构基础上,将每一根碳-碳键替换为碳纳米管而形成的新型结构.类超级碳纳米管是超级碳纳米管对应的宏观结构,在保持外观结构的基础上将尺度放大到宏观尺度.论文建立了类超级碳纳米管的粗粒化模型.基于粗粒化方法,研究了类超级碳纳米管的自由振动.分析了内外管半径以及长度对类超级碳纳米管振动行为的影响.与原结构有限元进行对比,结果表明粗粒化方法能有效的计算类超级碳纳米管的振动行为.

Fe-Cr二元合金微观组织演化的质量密度场耦合动力学Monte-Carlo模拟研究

本文建立了一种全新的将动力学Monte-Carlo粒子模拟与基于归一化Gauss函数基组的质量密度场空间粗粒化模型耦合的杂化模拟算法.采用该杂化模拟算法,系统对比研究了4种Cr原子含量分别为12.8%,20.0%,30.0%和40.0%的Fe-Cr合金中Cr相在温度为673 K下的时效析出动力学机制,及其时效不同阶段微观组织形貌的演变规律.研究得出Fe-Cr(12.8%)合金富Cr相时效组织形貌呈现孤立颗粒状空间分布形态,时效机制属于形核-长大(NG)机制;对于Fe-Cr(30.0%)和Fe-Cr(40.0%),富Cr相时效形貌在形核-生长及熟化阶段均呈现为三维蠕虫状空间分布特征,时效机制属于条幅分解(SD)机制;对于Fe-Cr(20.0%)合金,其富Cr相组织演化特征介于NG和SD机制之间.研究进一步发现Cr原子短程序参量可用来分析富Cr相形核-生长阶段Fe-Cr合金原子尺度结构的演变,但对于时效熟化阶段微观结构组织变化不敏感.基于空间粗粒化后Fe-Cr合金微观组织形貌,进一步分析了4种Cr原子含量下Fe-Cr合金相变动力学参数如富Cr相体积分数、平均粒径及相颗粒数密度随时效时间演变.本文建立的质量密度场耦合动力学Monte-Carlo模拟方法,为开发多尺度算法模拟合金时效动力学机制及微观组织形貌演变提供了新的思路和研究基础.

高分子粗粒化分子动力学模拟进展

模拟与理论、实验相互补充,彼此验证,使我们在原子和分子尺度上理解相关实验现象中的微观物理机制。结合高性能计算机和计算技术的发展,模拟已发展成为独特的高分子科学研究手段,在高分子材料优化设计和性能与结构间的性能关系研究中起重要作用。高分子具有不同层次的结构,材料的性质和功能不仅取决于化学结构和分子性质,而且很大程度上取决于分子聚集状态,即相态结构。因此借助计算模拟深入认识材料在不同尺度(微观到宏观)结构与性能依赖关系,是未来材料实现虚拟设计的必经之路。但是目前的模拟计算要实现"终极目标"—聚合物多尺度连贯研究,需要完善不同尺度下模拟计算方法,建立不同尺度间的贯通,特别是建立衔接从微观到介观的结构及热力学自洽的系统粗粒化方法迫在眉睫。

复杂物系的介观结构和DPD模拟

耗散粒子动力学(DPD)模拟方法是研究复杂物系介观结构的一种重要手段。首先简要介绍了DPD模拟方法,然后介绍了实际物系与DPD模型映射的2种方法,即Groot和Warren方法以及Pagonabarraga和Frenkel方法。最后对DPD模拟的理论和应用研究进展作了回顾。

沥青质在高定向热解石墨表面络合机制的分子动力学模拟

沥青质在固体表面的络合机制是解决剩余油开采难题的重要理论基础。为了给聚集抑制剂和表面活性剂的开发提供理论依据,采用分子动力学模拟,系统研究了沥青质在高定向热解石墨表面附着、聚集的特征。通过计算表面吸附过程中沥青质的自由能变化,基于Yen-Mullins模型的定量判据,结合沥青质平均相互作用分子数和分子密度分布,定量分析了沥青质在固-液界面体系与溶液体系中聚集作用的差异。分子动力学模拟分析表明,固体表面会降低沥青质的聚集程度,加快聚集过程中的阶段分化,具体包括4个阶段的界面过程:①沥青质覆盖固体表面并逐渐铺满一层;②固体表面上形成纳米聚集体;③固体表面上纳米聚集体与溶液中的纳米聚集体通过边缘堆叠、T形堆叠形成簇状物;④固体表面的聚集体与溶液中的聚集体通过脂肪侧链接触形成絮凝物。