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作者：焦杰彪中北大学

学位级别：硕士

聚四氟乙烯因其优异的化学稳定性、耐腐蚀性能、抗老化性能和摩擦性能等特点,广泛用于工农业生产、航天、电子科技等领域。但是聚四氟乙烯仍存在机械性能较差、磨损率较高等缺陷,限制了其更广泛的应用。石墨烯作为一种新型2D纳米碳材料... 详细信息

聚四氟乙烯因其优异的化学稳定性、耐腐蚀性能、抗老化性能和摩擦性能等特点,广泛用于工农业生产、航天、电子科技等领域。但是聚四氟乙烯仍存在机械性能较差、磨损率较高等缺陷,限制了其更广泛的应用。石墨烯作为一种新型2D纳米碳材料,有着极高的力学和摩擦学性能,可以作为一种理想的填料对聚合物复合材料的机械性能和摩擦性能起到补强作用。目前对于石墨烯增强聚四氟乙烯的机械和摩擦性能已经进行了大量的实验研究,但是由于微观测试技术的限制,关于石墨烯对聚四氟乙烯机械和摩擦性能的影响机理仍需进一步探索。本文使用分子动力学模拟,计算了纯聚四氟乙烯（pure PTFE）、石墨烯/聚四氟乙烯（Graphene/PTFE）复合材料以及氟化石墨烯/聚四氟乙烯（FG/PTFE）复合材料的机械性能和摩擦性能,揭示了Graphene和FG对PTFE机械性能和摩擦性能的影响机理,为设计具有优异机械性能和摩擦性能的聚合物复合材料提供了理论基础。本文研究内容及主要结论如下:（1）使用单轴拉伸和单轴压缩模拟方法研究了pure PTFE体系拉伸和压缩过程。结果表明,随着拉伸应变逐渐增大,拉伸方向上的应力先增加后减少,且体系中出现明显的空洞,当应变达到100%时,体系中间位置只有少数PTFE分子链的存在。同时,pure PTFE的拉伸强度随着应变速率的增加而逐渐增大。随着压缩应变的增大,PTFE分子链不断向压缩方向运动,使得模型在压缩方向的结构逐渐紧密;模拟了pure PTFE与金属铁（Fe）摩擦过程,分析了其在摩擦过程中的微观性质变化。随着载荷的增加,pure PTFE摩擦系数逐渐降低。此外,pure PTFE的摩擦系数随摩擦速度增加而先增加后降低。（2）Graphene/PTFE复合材料机械和摩擦性能的计算结果表明,质量分数为3.5wt.%的Graphene加入到PTFE中不仅破坏了PTFE本身的稳定结构,使得体系在拉伸过程中更容易出现孔洞等内部缺陷,还增强了PTFE分子链在拉伸过程中的运动能力,使得复合材料的拉伸强度下降,断裂伸长率也有所降低。此外,Graphene的加入降低了PTFE分子链在压缩过程中的运动能力,限制了分子链的运动,使得Graphene/PTFE复合材料的压缩强度提高。在摩擦过程中,Graphene在复合材料中形成一个增强界面,PTFE分子链被吸附在Graphene附近,与金属Fe接触的PTFE分子数减少,PTFE复合材料基体与金属Fe之间的相互作用减弱,摩擦界面处能量耗散降低,使得界面处的温度降低,同时Graphene会沿着摩擦方向进行滑移,提升了PTFE分子链在摩擦过程中的运动能力,使得PTFE复合材料在摩擦过程中更容易进行滑动,从而改善了PTFE的摩擦性能。（3）构建了FG/PTFE复合材料模型,并对其机械性能和摩擦性能进行了计算。其中,FG的含氟量分别为28.6%、33.7%和41.3%。结果表明,FG能够有效地降低PTFE复合材料在拉伸和压缩过程中的分子链运动能力,阻碍模型发生形变,从而改善了其拉伸和压缩性能。同时,加入FG能够进一步减少PTFE复合材料在摩擦过程中与金属Fe相互作用的原子数,降低两者摩擦界面处的相互作用,提高复合材料的摩擦性能。此外,FG/PTFE复合材料的机械性能和摩擦性能随着FG含氟量的增加而逐渐增强。

关键词：聚四氟乙烯石墨烯分子动力学机械性能摩擦性能

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PTFE/石墨烯复合材料拉伸性能的分子动力学模拟

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工程塑料应用 2021年第9期49卷 73-76,86页

作者：焦杰彪韩登佳杨潞霞付一政中北大学材料科学与工程学院太原030051 中北大学材料科学与工程学院纳米复合材料山西省重点实验室太原030051 中北大学材料科学与工程学院山西省高分子复合材料工程技术研究中心太原030051 同济大学化学科学与工程学院上海200092 太原师范学院计算机系太原030006

采用分子动力学模拟方法研究了纯聚四氟乙烯(PTFE)和PTFE/石墨烯复合材料的拉伸性能。构建了纯PTFE和PTFE/石墨烯复合材料的模型,优化后再使用单轴拉伸模拟方法计算两种材料的拉伸性能,应变率设定为5×10^(8)s^(-1)。结果表明,加入石墨... 详细信息

采用分子动力学模拟方法研究了纯聚四氟乙烯(PTFE)和PTFE/石墨烯复合材料的拉伸性能。构建了纯PTFE和PTFE/石墨烯复合材料的模型,优化后再使用单轴拉伸模拟方法计算两种材料的拉伸性能,应变率设定为5×10^(8)s^(-1)。结果表明,加入石墨烯后,复合材料的拉伸强度下降了约16%。通过分析拉伸过程中的两种模型结构变化、质量密度的变化以及界面能量,揭示了石墨烯降低PTFE拉伸性能的微观机理,为研究纳米填料对聚合物复合材料拉伸性能的影响提供理论指导。

关键词：石墨烯聚四氟乙烯拉伸性能分子动力学模拟

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