[发明专利]聚合物结构和性能的计算模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，更具体地说，涉及一种聚合物结构和性能的计算模拟方法。

背景技术

聚合物材料品种众多，具有密度轻，比强高，耐腐蚀，加工性好，易加工成形，可制成复杂形状的零部件，摩擦性能好，易满足不同摩擦条件要求，具有绝缘性、密封性、减震性及可染色性等特点，凭借其优良的性能在工程应用中得到了广泛的应用，吸引了众多科研者的广泛关注，而对聚合物的研究多数集中在结构和性能以及它们之间的关系方面。众所周知，形变行为对于理解高分子的性质是十分重要的，不少研究者在这方面做了大量工作。但是由于实验条件的限制，我们通过AFM，SEM或者X射线衍射图谱等实验方法，或者只能观察局部的材料形貌，或者只能获取整体平均后的物理特性。很难更进一步的明确了解聚合物结构与性能之间的关系，而且无法实现了解材料在受到外力发生形变过程中微观内部结构变化，更不能对材料形变过程中内部形态变化进行实时在线的观测。此时计算机仿真技术给我们提供了一种新的途径，有助于协助我们了解其复杂的行为，探寻聚合物形变过程中结构与性能之间的关系。现在使用的仿真技术主要有两种方法：分子动力学方法(MD)和蒙特卡罗方法(MC)。本发明主要采用分子动力学仿真的方法，进行相关模拟。

分子动力学(Molecular Dynamics，MD)方法是一种依靠牛顿经典力学来模拟分子体系的运动的方法，由于它能够对原子在三维空间内的运动轨迹和演变过程进行精确地描述，有助于我们了解运动过程中材料内部的结构变化，因而被广泛的应用于固体、液体结构、表面界面性能、松弛过程等凝聚态现象的研究中。

分子动力学方法现在已在金属晶体、复合材料等领域的研究中取得了重要突破，但在高分子领域，此方法的应用尙不广泛，由于高分子材料本身的结构极其复杂，而且分子量比较大，这在构建高分子模型时带来极大的困难，此外，对于大分子体系，原子量的增大，将使模拟的时间大大加长，普通计算机很难达到实验要求。为解决此问题，人们提出了粗粒化模型，在聚合物模拟中，粗粒化模型将亚甲基看作一个微球，忽略了氢原子及碳氢键，从而减小了建模难度和模拟运行时间，此种模型又被称为珠链模型。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，基于以上技术背景，运用LAMMPS软件，构建粗粒化聚合物模型，并进行了相应模拟，探究聚合物形变过程中结构与性能的关系，提供一种聚合物结构和性能的计算模拟方法，弥补传统实验方法在研究聚合物结构与性能关系上的不足，对聚合物形变过程中结构与能量的变化进行进一步的实时探究。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

聚合物结构和性能的计算模拟方法，按照下述步骤进行：

步骤1，建立单分散、粗粒化的聚合物模型，粒子位置由无规漫步产生，粒子初速度为零，键长1.54nm，键角109.5°；

步骤2，对聚合物模型进行相应力场的设置：分子间作用力采用L-J势，键长、键角、二面角采用相应能量势；具体力场设定公式如下所示，其中r_c表示截断力场，ε,K_b,K_θ,C_i表示力场参数；