【摘 要】
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聚碳酸酯(PC)被应用在齿轮、蜗轮、轴套等耐磨零件时,常需要进行耐磨处理。而碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)作为一种高长径比、高比表面积的纳米材料,在其轴向表现出优异的力学性能且常作为纳米增强填料与其它基体材料共混,能有效改善基体材料的多项性能。通过分子动力学模拟探究取向碳纳米管/聚碳酸酯复合材料的力学及摩擦性能,并从微观角度解释其作用机理,这是宏观实验往往难以做到的。为了探
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聚碳酸酯(PC)被应用在齿轮、蜗轮、轴套等耐磨零件时,常需要进行耐磨处理。而碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)作为一种高长径比、高比表面积的纳米材料,在其轴向表现出优异的力学性能且常作为纳米增强填料与其它基体材料共混,能有效改善基体材料的多项性能。通过分子动力学模拟探究取向碳纳米管/聚碳酸酯复合材料的力学及摩擦性能,并从微观角度解释其作用机理,这是宏观实验往往难以做到的。为了探究碳纳米管在PC基体中的取向性对PC基体的力学及摩擦性能的影响及其微观机理,本文基于分子动力学的方法构建了三种体系模型。第一,拉伸模型:对纯PC体系和取向单壁碳纳米管(SWNT)/PC复合体系分别沿不同方向进行拉伸。第二,碳纳米管拔出模型:不同直径、长度碳纳米管被从PC基体中拔出。第三,摩擦模型:摩擦模型是在笛卡尔坐标系下构建的三层结构,顶层为用于滑动摩擦,中层为被摩擦体系,底层用于吸附固定被摩擦体系。被摩擦体系包括纯PC基体、X取向单壁碳纳米管(X-SWNT)/PC复合材料、Y取向单壁碳纳米管(Y-SWNT)/PC复合材料和Z取向单壁碳纳米管(Z-SWNT)/PC复合材料。模拟结束后,从体系中提取PC分子链与碳纳米管之间的相互作用和势能变化以及PC分子链的迁移行为等数据。研究结果表明:PC分子链在受到外力时可向碳纳米管转移应力,从而增强基体力学性能。因此,取向SWNT/PC复合材料的力学及摩擦性能相对纯PC基体均得到提高,而性能提升程度取决于不同取向碳纳米管转移应力的能力。同时,碳纳米管与PC基体的界面结合强度与碳纳米管长度无关,但随碳纳米管的直径增大而增强。摩擦模拟与力学拉伸模拟不同,摩擦过程中发生了较严重的界面破坏,且该破坏程度越大的体系摩擦性能越差,而该破坏程度与碳纳米管的取向有关。同时,碳纳米管与PC基体之间的界面相互作用主要为范德华(VDW)相互作用。
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