微孔塑料气泡成核过程分子动力学分析

论文摘要

微孔泡沫塑料是指泡孔均匀且孔径小于100μm的发泡材料。典型的泡孔直径在5～50μm之间,泡孔密度达109～1012个/cm3。微孔泡沫塑料既具有一般泡沫塑料的优点（如质量轻、价格低、隔热性能和隔音性能好、比强度高、吸收冲击载荷等）,而且制品中泡孔的存在使材料内部的裂纹尖端钝化,有利于阻止裂纹的扩展,从而使制品的力学性能得到提高。因此微孔塑料制品在汽车,建筑,仪器仪表等多个行业应用十分广泛。分子动力学是近年来迅速崛起的一种新的数值实验方法,广泛应用于材料、物理、化学、生物等部门。分子动力学架起了一座从微观到宏观的桥梁,同时还可以模拟传统实验方法无法达到的控制条件。它的基本原理是：求解系统中的分子或原子间作用势能和系统外加约束共同作用的分子或原子的牛顿方程,记录各分子在各个不同时刻的位置、速度等,然后统计得到体系的各种热力学、动力学和能量等信息,也就是由体系粒子的微观结构导出其宏观性质。本文旨在用分子动力学方法模拟微孔塑料气泡成核的过程,具体内容有：1.总结了微孔泡沫塑料成型工艺的过程和特点,并对微孔泡沫塑料气泡成核机理作了详细的阐述。2.对分子动力学模拟技术进行了总结,介绍了分子动力学模拟的理论基础。3.以十六烷和二氧化碳的混合体系为研究对象来研究微孔塑料气泡的成核过程。建立了体系的分子动力学模型,并引入相应的力场来描述原子间的相互作用。模拟过程中选用NPT系综,采用Velocity-Verlet积分算法对牛顿运动方程进行求解,得到了气泡成核过程的粒子运动轨迹。4.给出了气泡核的判别以及跟踪方法,然后基于分子动力学计算结果,对气泡成核过程进行了分析,研究发现：在降低二氧化碳和十六烷饱和溶液压力的过程中,在液相中首先形成低密度的气核,然后,二氧化碳分子会不断地进入气相中直到聚合物内部形成大量气相分子的气泡。这与经典成核理论是一致的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究背景和研究意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 微孔泡沫塑料成型技术
• 1.2.1 微孔泡沫塑料的成型方法
• 1.2.2 微孔泡沫塑料成型理论研究进展
• 1.3 分子动力学
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 发展概况
• 1.4 本课题的研究内容和方法
• 2 微孔塑料的成型原理
• 2.1 微孔塑料的成型过程
• 2.1.1 气泡核的形成
• 2.1.2 气泡的膨胀
• 2.1.3 泡体的固化定型
• 2.2 微孔塑料气泡成核机理
• 2.3 本章小结
• 3 分子动力学基本理论和算法基础
• 3.1 分子力学
• 3.2 分子动力学基本原理
• 3.3 分子动力学的理论基础
• 3.3.1 力场
• 3.3.2 牛顿运动方程
• 3.3.3 积分算法
• 3.3.4 势函数
• 3.3.5 系综
• 3.3.6 初始条件
• 3.3.7 周期性边界条件
• 3.3.8 长程力的计算
• 3.3.9 径向分布函数
• 3.4 本章小结
• 4 微孔塑料气泡成核过程分析
• 4.1 模拟方法
• 4.1.1 模拟系统
• 4.1.2 模拟细节
• 4.2 气泡核的定量分析
• 4.2.1 气泡核的判别
• 4.2.2 气泡核的跟踪
• 4.3 气泡成核的模拟结果及分析
• 4.3.1 气泡成核过程中的参数变化
• 4.3.2 气泡核的演化过程
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 致谢