[發明專利]聚合物結構和性能的計算模擬方法

在審

• 申請號: 201410326004.9
• 申請日: 2014-07-09
• 公開（公告）號: CN104091020A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 張曉星;尚英瑞;李景慶;蔣世春
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 張宏祥

技術領域

本發明屬于高分子材料技術領域，更具體地說，涉及一種聚合物結構和性能的計算模擬方法。

背景技術

聚合物材料品種眾多，具有密度輕，比強高，耐腐蝕，加工性好，易加工成形，可制成復雜形狀的零部件，摩擦性能好，易滿足不同摩擦條件要求，具有絕緣性、密封性、減震性及可染色性等特點，憑借其優良的性能在工程應用中得到了廣泛的應用，吸引了眾多科研者的廣泛關注，而對聚合物的研究多數集中在結構和性能以及它們之間的關系方面。眾所周知，形變行為對于理解高分子的性質是十分重要的，不少研究者在這方面做了大量工作。但是由于實驗條件的限制，我們通過AFM，SEM或者X射線衍射圖譜等實驗方法，或者只能觀察局部的材料形貌，或者只能獲取整體平均后的物理特性。很難更進一步的明確了解聚合物結構與性能之間的關系，而且無法實現了解材料在受到外力發生形變過程中微觀內部結構變化，更不能對材料形變過程中內部形態變化進行實時在線的觀測。此時計算機仿真技術給我們提供了一種新的途徑，有助于協助我們了解其復雜的行為，探尋聚合物形變過程中結構與性能之間的關系。現在使用的仿真技術主要有兩種方法：分子動力學方法(MD)和蒙特卡羅方法(MC)。本發明主要采用分子動力學仿真的方法，進行相關模擬。

分子動力學(Molecular?Dynamics，MD)方法是一種依靠牛頓經典力學來模擬分子體系的運動的方法，由于它能夠對原子在三維空間內的運動軌跡和演變過程進行精確地描述，有助于我們了解運動過程中材料內部的結構變化，因而被廣泛的應用于固體、液體結構、表面界面性能、松弛過程等凝聚態現象的研究中。

分子動力學方法現在已在金屬晶體、復合材料等領域的研究中取得了重要突破，但在高分子領域，此方法的應用尙不廣泛，由于高分子材料本身的結構極其復雜，而且分子量比較大，這在構建高分子模型時帶來極大的困難，此外，對于大分子體系，原子量的增大，將使模擬的時間大大加長，普通計算機很難達到實驗要求。為解決此問題，人們提出了粗粒化模型，在聚合物模擬中，粗粒化模型將亞甲基看作一個微球，忽略了氫原子及碳氫鍵，從而減小了建模難度和模擬運行時間，此種模型又被稱為珠鏈模型。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，基于以上技術背景，運用LAMMPS軟件，構建粗粒化聚合物模型，并進行了相應模擬，探究聚合物形變過程中結構與性能的關系，提供一種聚合物結構和性能的計算模擬方法，彌補傳統實驗方法在研究聚合物結構與性能關系上的不足，對聚合物形變過程中結構與能量的變化進行進一步的實時探究。

本發明的目的通過下述技術方案予以實現：

聚合物結構和性能的計算模擬方法，按照下述步驟進行：

步驟1，建立單分散、粗粒化的聚合物模型，粒子位置由無規漫步產生，粒子初速度為零，鍵長1.54nm，鍵角109.5°；

步驟2，對聚合物模型進行相應力場的設置：分子間作用力采用L-J勢，鍵長、鍵角、二面角采用相應能量勢；具體力場設定公式如下所示，其中r_c表示截斷力場，ε,K_b,K_θ,C_i表示力場參數；