石墨烯表面修饰对石墨烯/环氧树脂复合材料界面及拉伸性能影响的分子模拟研究

• 作 者: 刘晓龙
• 出 处: 中国石油大学(华东)
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 石墨烯 分子链修饰 界面性质 拉伸性能 分子动力学模拟

石墨烯/环氧树脂复合材料是一种由石墨烯与环氧树脂聚合物组成的新型纳米复合材料,由于石墨烯具有优良的力学、热学及电学等性能,使得石墨烯/环氧树脂复合材料具有很多其它材料不可比拟的性能。在实际生产中都是先将石墨烯进行表面修饰,然后再添加到环氧树脂复合材料中来制备石墨烯/环氧树脂复合材料,这也是当前最具热点的环氧树脂改性方式。本文以分子链修饰石墨烯和环氧树脂聚合物作为研究对象,采用分子动力学模拟方法,研究石墨烯表面修饰分子链对石墨烯/环氧树脂复合材料的界面性质及拉伸性能的影响规律,并从分子、原子微观角度揭示其作用机理。本文利用Materials Studio软件构建不同表面修饰的石墨烯/环氧树脂复合材料模型,通过对复合材料模型平衡态及模型能量分析表明,采用分子力学和分子动力学方法构建的复合材料模型达到了动态平衡,并且采用COMPASS力场来描述模型中分子及原子之间相互作用力是较为准确的。因此,本文继续采用复合模型及COMPASS力场来研究复合材料的界面性能和拉伸性能。界面性能研究结果表明,浓度分布曲线可以看出在复合材料模型中存在界面结构并且存在优先吸附,即固化剂组分要优先于环氧组分吸附在表面修饰石墨烯周围。修饰端基为环氧基的复合材料中相互作用能最大,氢键数目最多。此外,分子链的修饰会增大聚合物分子与石墨烯表面之间的距离,体系的相互作用能和氢键数目会随着修饰链的增多而减小。同时,修饰链对复合材料体系中界面动力学性能也存在影响,当修饰链为6条时,体系中原子的运动迁移能力最差,体系中的链段柔性最差,局部分子链链段旋转运动受到限制。拉伸性能结果研究表明,界面键接对复合材料模型的拉伸性能有显著增强作用,通过复合材料模型的应力-应变曲线可以看出,对分子链修饰石墨烯/环氧树脂复合材料体系力学性能增强最明显的因素是界面键接的数量,界面键接分子链数量越多,对复合材料体系的力学增强效果越显著。在拉伸形变过程中,复合材料体系内交联部位的键长键角都有增大趋势,C-N键和-C-N-C-键角的局部振动加快,交联部位局部链的柔性增强。