文摘
碳纳米管(CNT)之间的相互作用和聚合物是一个关键因素确定机械、热、CNT /聚合物纳米复合材料的电性质。然而,很难衡量实验问之间的界面粘结性能和周围的聚合物。因此,计算模型是用来预测属性的交互。不同的模型,从原子论的连续体,批判性审查处理的优势,劣势,未来的挑战。各种方法的改进测量的交互属性描述。最后,结果表明,半连续统模型可能是最好的候选人建模问和聚合物之间的相互作用。
1。介绍
预测力学性能和建模问增强聚合物的力学行为(CNTRPs)吸引了许多研究者的极大关注1- - - - - -5],特别是考虑到快速发展的各种行业,如汽车工业、航空航天、包装、和风力涡轮机。因此,在过去的二十年里,大量的研究已经被执行来预测CNTRPs的机械性能。
不同的因素影响CNTRPs的性能。特征的主要管理问题的效率问钢筋在纳/微尺度的荷载传递机制可以归因于碳纳米管矩阵。因此,之前在宏观的理解CNTRP的力学行为,相应的物理性能必须解决。为了这个目的,一个合适的模拟技术,捕获所需的细节充分和合理,需要采用按照调查的规模。
嵌入式问之间的界面粘结界面地区及其周边聚合物负载转移的一个关键问题,强化现象。碳纳米管的原子结构组成的sp2杂化碳原子阻碍强共价键的形成与周围聚合物矩阵。虽然功能化可以改善相间的荷载传递通过共价碳原子之间的交叉连接碳纳米管和聚合物的分子,这个过程有一个主要缺点提供缺陷结构的碳纳米管由于sp的形成3杂化的网站。它可以显著减少有益的碳纳米管的性质。自然因此,碳纳米管与聚合物链的交互矩阵通过弱nonbonded范德瓦耳斯就是secu * tanu减去vdW()和静电的力量。机械联锁,这有助于提高纤维和基质之间的粘附在纤维复合材料,不相关的CNTRPs由于碳纳米管的表面光滑。
到目前为止,各种方法已经用来调查问之间的交互行为和周围的聚合物,包括实验研究、原子论的建模和连续体建模。通过系统地研究所有可用的方法的缺点和优点的文献,这篇综述的目的是找到最佳解决方案评估问之间的交互行为和聚合物矩阵。一方面,必须保证精度;另一方面,方法应该是简单和有最小的计算成本。
本文旨在回顾最近开发的建模技术研究问和周围的聚合物之间的相互作用。本文的组织如下:部分2是一个挑战对实验研究的简要说明纳米的规模。部分3讨论了执行理论研究调查问和聚合物之间的相互作用。本节包含两个主要的建模技术作为原子论的建模部分可用3.1和连续体建模部分3所示。2。分子动力学、粗粒模拟和密度泛函理论综述部分3.1。1,3.1。2,3.1。3,分别。然后,相关的障碍和缺陷提出了原子论的建模的部分3.1。4的主要原因是鼓励研究人员采用连续体建模方法。分类下的连续体建模组,部分3.2。1和3.2。2现状分析和数值模拟技术。最后,部分4总结了审查通过强调可用方法的利弊。
2。实验研究
的实验研究进行描述问和周围的聚合物之间的相互作用可分为三个主要类别。
一些研究人员进行实验CNT-polymer大部分复合材料在宏观尺度和观察到增强机械性能(弹性模量和抗拉强度等)和试图关联实验结果和现象等连续介质理论的复合材料微观力学或凯利泰森剪滞模型(1- - - - - -5,32,33]。
其他研究人员利用光谱技术。光谱学是一个强大的技术问的属性特征。该技术包括拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和x射线散射。这种方法的主要原理是,通过紧张问/聚合物、碳碳键的振动,这将影响拉曼光谱的峰值。因此,拉曼光谱可以确定等碳纳米管直径的特点和水平的色散矩阵(34- - - - - -38]。
原位透射电镜(透射电子显微镜)紧张也被用于理解力学、断裂和失效过程的接口。在这些技术中,CNT-polymer复合(electron-transparent薄标本)紧张在TEM同时成像实时和空间解析(1纳米)信息(39,40]。
马特和休伯特(41]也德赛和Haque [42)对实验方法进行了全面审查。
一般来说,纳米尺度的试验研究是一个具有挑战性的任务,由于以下原因:(我)缺乏适当的直接测量技术在纳米尺度;(2)巨大的限制样本大小;(3)从间接测量获得的数据的不确定性;(iv)试样制备技术不足和缺乏控制纳米管的对齐和分布。
因此研究人员倾向于采用理论方法预测CNT-reinforced复合材料的性质。此外,它是不可能衡量问和周围的聚合物之间的界面结合性能通过直接测量,这是另一个错误。
3所示。理论研究
在这类研究中,问和周围聚合物之间的相互作用中扮演了一个关键因素将负载从矩阵问检查使用理论和计算机模型。到目前为止,利用理论研究模拟交互和测量相互作用的力学性能主要分为两大类:原子论的建模和连续体建模。
3.1。原子论的建模
原子论的建模是实现使用分子动力学(MD)模拟,密度泛函理论(DFT),或粗粒(CG)模拟。这些技术被广泛用于解决有关裂缝问题在不同的尺度上。
3.1.1。分子动力学
医学的方法解决了牛顿运动方程为分子系统(43),它提供了详细的微观建模的方法在分子尺度(44]。马里兰州纳米复合材料的相互作用研究已经显示出强大的潜力,由于其准确性、灵活性、和各种力场(10,13,45,46]。徐和比勒10)采用AIREBO潜力模拟CNT-based纳米复合材料的力学行为。张的工作等。13),采用UA(原子)潜在的纳米复合材料来解决类似的问题。此外,粗粒度的潜力也用来研究粒子与粒子之间的相互作用和particle-polymer45,46]。
此外,类似尺寸的碳纳米管和聚合物链使医学博士候选人来模拟纳米复合材料在不牺牲结果的准确性,尤其是高性能超级计算机的快速发展。
MD模拟也可以研究各种参数的影响和类型的交互等机械性能弹性模,界面剪切强度和结合能。
问的界面性质/聚合物被广泛调查基于MD模拟从现有的文献6,8- - - - - -10,12,13]。指nonbonded CNT /聚合物相互作用,陈et al。9)进行MD模拟单一聚合物分子问,他们发现扶手椅单壁碳纳米管(纳米)现在最强的附着力。廖和李6)和马特·休伯特(12研究了碳纳米管非共价相互作用和矩阵;剪切强度和结合能的复合接口给出了他们的研究。黄等。8)发现CNT-induced机械联锁的局部不均匀分布会导致高的界面剪切应力。MD模拟还表明,问之间的热膨胀系数的不匹配和聚合物基质也促进了应力转移能力。徐和比勒10]研究相互作用的两个碳纳米管的热阻,有或没有聚合物,这表明,热阻的问连接可以通过改变显著提高聚合物分子的数量。最近,Zhang et al。13]研究了色散的影响polymer-wrapped两个邻近的纳米管纳米工程荷载传递。他们发现分散聚合物包裹纳米角主导负荷转移。此外,找到系统的自我修复功能由于nonbond聚合物和纳米管之间的相互作用。
弗兰克兰等。7CNT)建模一个扶手椅,MD,发现剪切强度增加10倍,形成不到1%问和聚合物之间的交叉连接。通过MD模拟,Chowdhury和冈47]研究化学交叉连接界面的影响,发现形成几问和聚合物之间的交叉连接的抗剪强度从310 MPa提高到1630 MPa。刘等人。11)获得的抗剪强度撤军测试碳纳米管的共价结合聚合物的MD模拟。他们发现,界面剪切强度的增加可以提高或降低阻尼复合的稳定性。其他研究人员喜欢旷,蔡,Odegard采用MD方法研究纳米复合材料的属性和接口之间的问和聚合物(48- - - - - -50]。
然而,大量的粒子和短时间内MD模拟所涉及的步骤需要强大的计算设施,通常通过并行计算提供)。仿真时间可能会缩短使用典型的建模策略,如采用周期性边界条件(51和减少截止距离的假设52]。表中可以找到更详细的讨论1。
3.1.2。粗粒模拟
粗粒(CG)方法用于开发工具为研究材料特性。也用于研究材料所需的基本力学行为通常设计系统的集成特性的化学反应。重心模型提供了有效手段,模拟和研究系统中所需的行为,财产,或响应天生的mesoscale-those都无法完整的原子论的表征和不适用的连续介质理论。CG技术开发与粗分辨率原子论的地图系统到系统。因此,开发了CG模型只能反映行为包括在他们的管理潜力和相关参数,因此,这些参数通常的来源决定了CG模型的准确性和实用程序(53,54]。它是强调,并不是所有的系统都将受益于一种粗粒度的表示,和审慎的必须考虑关于系统描述和模拟的目的。典型的动机CG方法包括以下:(1)访问时间尺度和长度尺度现象或行为通过完整的原子论的代表;(2)关注大部分属性和/或机械行为而不是分子结构和/或化学交互作用;(3)渴望一个直接简化分析的仿真结果和系统的行为。
在过去的十年中,各种CG分子动力学方法被广泛用于研究聚合物的热力学特性,蛋白质,脂类,生物材料(53- - - - - -56]。
Muller-Plathe集团报道许多有趣的性质不同的聚合物(如热导率、链刚度)的CG MD模拟(57- - - - - -59],CG潜力开发和提供了它们的参数的基础上,通过使用反向映射过程由full-atom MD模拟验证。克雷默的小组开发两种潜力CG聚苯乙烯,热力学和化学性质研究了CG MD模拟(60,61年]。Theodoru和Fermeglia研究聚合物系统的多尺度建模使用CG MD和full-atom MD方法以及蒙特卡罗(MC)方法(62年,63年]。尼尔森et al。64年散装)计算表面张力PE的CG MD模拟,从而大大减少所需的数值计算的MD模拟。最近,赵et al。65年)已经开发出一种更精确的CG潜力研究热机的性能(如体积密度、玻璃化转变温度、膨胀系数、杨氏模,和屈服应力)的大部分聚乙烯(PE)。抗压应力-应变曲线的尺度依赖的力学性能对PE颗粒也被获得的CG MD方法(66年]。
可以看到,所有提到的研究进行纯粹的聚合物。主要的原因是学习的第一步使用CG MD问和周围的聚合物之间的相互作用是聚合物链构建一个合理的模型。因此,许多研究已经进行纯粹的聚合物。
比勒的小组开发了各种CG MD势来描述的nanoindentation单-和双碳纳米管(碳纳米管)buckypaper [67年]。基于重心模型,问网络得到的力学性能和微观结构演化和破坏机理进行了探讨68年]。之后,碳纳米网络的粘弹性是CG MD模拟报告的69年]。
不过,所有先前的CG模型用于聚合物和碳纳米管,分别,而问增强聚合物复合材料几乎CG MD模拟研究了自Lennard-Jones (LJ)势CG珠子之间的聚合物和碳纳米管还没有获得。然而,这个问题会很快得到解决,由于对这个方向的研究显示高潜力和重要的应用。
因为重心模型通常失去珠子之间的更详细的信息(如二面角和不当信息)、准确量化非线性力学性能的材料不能准确地给出CG MD模拟。
3.1.3。密度泛函理论
密度泛函理论(DFT)研究原子尺度系统的电子结构,基于量子力学的。DFT模型通常使用近似,如局部密度近似(LDA),只有电子密度每一点的值被认为是比MD模拟的空间。
从头开始模拟利用DFT和能够收敛于精确解。然而,这些模拟计算昂贵和成长与权力大小3 - 7的数量基本功能。因此,从头开始模拟是相当小的规模和使用各种技术来降低计算成本。例如,在某些阶段的模拟,只能优化系统的一部分,或原子放松可能不被允许和分子可能被认为是刚性的。
从头开始模型研究了各种类型的nanotube-polymer交互包括范德华和化学功能化。这些模型的结果通常的形式提出了地方国家纳米管和纳米复合材料密度,带结构,电荷密度轮廓,结合能距离的函数(70年,71年]。在金的工作等。70年),一个封装的能量(C2H2)分子到纳米管形成的能量(C2H2CNT) @计算。工作的Mylvaganam和张71年),构建的方法研究了碳纳米管的密度泛函理论的援助。使用甲氧基自由基和二级丁基离子作为发起人和环氧乙烯和他们的反应,这导致聚乙烯和polyepoxide-grafted纳米管。
DFT的大多数模型都是基于静态或绝对零度结构和仍局限于小系统。因此,当使用DFT模型,这些模型的强度(原子结构的准确预测)以及不可避免的昂贵的计算应考虑。
3.1.4。原子论的建模的挑战
一直说,观察原子建模的准确性和高灵活性的影响各种参数对纳米复合材料的力学性能和问和聚合物之间的界面。但是很多限制因素影响这些方法。例如,大多数已发表论文的这些方法使用SWCNTs长度小于10纳米。此外,聚合物链的数量小于100。
这是因为原子论的建模方法无法处理大量的原子由于增加计算成本。公式中使用这些方法往往也高的复杂性。由于这些限制,连续介质模型被用来克服上述困难。
3.2。连续体建模
完成问和周围的聚合物相互作用的连续体建模分析或数值。
3.2.1之上。分析建模
在模型分析方法的研究碳纳米管与聚合物之间的界面,大部分的研究人员试图利用现有的微尺度复合材料领域的规则。这些规则被称为微观力学规则不能直接应用于纳米由于假设不再有效。这些涉及纤维的均匀分布在聚合物和问和聚合物之间的完美结合,以及考虑强化阶段作为连续介质,适用于纤维。换句话说,直接使用微观力学方程CNTRP只会忽视问的晶格结构,考虑问作为一个固体纤维。此外,微观力学方程假设之间的完美结合加强代理商和周围的聚合物。这是不相关的问和周围聚合物之间的界面,通过nonbonded范德华相互作用就是secu * tanu减去vdW()部队。
一些研究人员提出,材料应考虑问和周围的聚合物之间的地区,但治疗这种特殊材料的属性区域仍有待确定。相关联的属性选择矩阵和问杨氏模量之间没有任何实验基础。实际上,纳米尺度的,没有物质区域问和聚合物之间的界面,但相反,该地区是一个分子间相互作用的空间。一些其他建议纠正一些因素来反映缺陷问和聚合物之间的融洽,但这些因素也获得曲线拟合数据的基础上。
实际上,碳纳米管与周围就是secu * tanu减去vdW聚合物通过部队。这将导致问下滑受到轴向载荷时的聚合物基质。因此,问和聚合物之间的完美结合的假设是无效的。因此,一些研究者尝试就是secu * tanu减去vdW合并问和聚合物之间的相互作用的建模方法。软熔带模型被广泛用于连续研究复合材料的界面脱胶和滑动。软熔带模型假设之间的关系正常(剪切)牵引(s)和开放和滑动位移(年代)。在有限元方法中实现时,软熔带模型能够模拟界面脱胶和滑动。现有的内聚模型都是现象学,因为它是很难获得直接的法律接口。江et al。14)已经开发出的内聚区模型问和聚合物之间的界面。他们计算出总能量的原子通过集成在体积和分化的板块的运动在垂直和切线方向。最后,他们报告之间的关系正常(剪切)牵引(s)和开放和滑动位移(s)在界面的面积问密度和体积密度的聚合物,以及参数就是secu * tanu减去vdW的力量。
假设一个接口就是secu * tanu减去vdW包含交互,谭等。15]试图计算纳米复合材料的应力和应变之间的关系。在这方面,江帮助设定的规则来描述应力和应变之间的关系在接口。
塞德尔和Lagoudas16]试图评估相间的效应在纳米复合材料的力学性能。他们已经考虑相间物理环境和这一地区假设弹性模量的0.1到10倍的弹性模量矩阵。然后,在纳米复合材料界面性能的影响进行使用同心圆筒模型。
剪滞模型也受雇于一些其他研究人员研究问和聚合物之间的相互作用17,18]。这种模式通常是用于长纤维复合材料在微尺度,它不适合问钢筋的有效规模是纳米复合材料中。这个模型已基本开发连续补强剂,它不能应用于问的晶格结构。蔡和陆17)考虑了相间物理环境。他们使用不同的界面剪切模量的值和调查相间的荷载传递效率的影响碳纳米管增强纳米复合材料使用传统剪滞模型。奈恩(18)考虑相间的影响系数0到无穷大之间不同的纳米复合材料的模量计算公式。
Shokrieh和马达维19)被认为是一个虚拟的材料区域间期。他们获得同等的属性使用弹性纤维的方法就是secu * tanu减去vdW相互作用被认为是。结果是在一个非常好的协议与发达多尺度有限元建模Shokrieh和Rafiee [29日]。
巴莱和翁20.]研究了碳纳米管的力学性能与弹性方程。他们适合一个不完美的因素方程,研究了界面的影响通过改变这个比例。据报道,当界面的缺陷增加,复合的有效杨氏模量降低,碳纳米管具有很弱的接口将像空洞。应该指出,自从巴莱翁(20.)考虑问和聚合物之间的完美结合,他们应对高压力可转让性矩阵问与所报道的谭et al。15就是secu * tanu减去vdW通过弱相互作用。
的概述进行了分析建模研究问之间的交互和周围的聚合物是总结表2。
从文献调查,可以理解不同的值已经考虑相间的模量和厚度。在一些调查,界面区域的影响刚刚模拟使用一些校正系数反映了缺陷。
3.2.2。数值模拟
一些研究人员已经使用数值模拟采用有限元分析研究问之间的交互和周围的聚合物。有些研究人员认为问和聚合物之间的一个中间区域作为一个单独的阶段和使用各种元素(如链接,桁架杆、梁,春天,不同的属性描述问原子之间的分子间相互作用和周围的聚合物链。有些忽略了这个区域的建模和简单地假定纳米管和聚合物之间的完美结合21,22]。然而,由于众所周知,完美结合纳米管和树脂之间的不是一个有效的假设,这些研究将不了这份报告。
Haque和Ramasetty21)获得剪切和轴向应力在界面不考虑相间使用平衡和弹性方程。
广域网和他的同事(27)计算的属性RVE CNTRP考虑相间的1.357纳米的厚度。间期之间不同模量0.3和矩阵的弹性模量的10倍。他们认为相间为各向同性材料在恒定的属性。
李,周23就是secu * tanu减去vdW考虑碳纳米管之间的相互作用和周围的内表面聚合物基体,用非线性桁架元素就是secu * tanu减去vdW模拟交互。他们认为这个区域的厚度为0.17 nm,取得元素的属性使用Lennard-Jones潜力。
Pourakbar和他的同事(24)研究了功能化纳米管对RVE的性质的影响。他们模仿纳米管和树脂之间的共价键梁元素和属性,使用来自分子力学方法。他们发现通过增加的人口共价键相间,压力从矩阵可转让性问增加并将收敛结果实现规则的混合物,虽然规则纳米混合物是无效的。
Giannopoulos et al。25)考虑相间的函数的系数矩阵和问的模量。在他们的工作,联合元素被用来模拟之间的间期问沿着纳米管和径向矩阵。结果显示高依赖的纵向弹性模量的纳米复合材料刚度的界面区域。联合元素的高刚度值(问和矩阵之间的完美结合)导致类似的结果的混合物。相比之下,当碳纳米管非常温柔地连着矩阵,没有观察到力学性能大幅提高。
蒙塔泽里和Naghdabadi26)用一维弹簧模型元素间期。他们取得了弹簧的相关属性元素从Lennard-Jones潜力。
Kulkarni et al。22]研究了RVE的属性通过考虑纳米管之间的接口和力量区域和树脂。他们利用界面元素的建模和使用不同强度和调查,RVE的性质的影响。他们报告说,纳米复合材料的模量增加而增加界面强度。纳米复合材料的模量增加的速度变得越来越小,随着界面强度的增加。
裁缝和他的同事(28计算射频的属性。他们模拟了界面变厚度和纳米管和树脂之间的非线性特性。他们认为纳米管和树脂之间的完美结合界面强度的影响进行了调查RVE的属性。
Shokrieh和Rafiee29日间期)提出了一个模型,纳米管和树脂之间的债券将被更新时,应用应变的演变。因此,就是secu * tanu减去vdW称为自适应交互模型(AVI)。他们用非线性弹簧就是secu * tanu减去vdW元素捕获交互。换句话说,当应用应变增加,就是secu * tanu减去vdW每个键的瞬时状态更新按照控制方程就是secu * tanu减去vdW的交互。他们已经观察到的混合物会过高估计结果。这源于这一事实,混合物的规则认为问和聚合物之间的完美结合。结果显示基于就是secu * tanu减去vdW考虑相间的重要性。
Wernik和Meguid31日)提供相同的模型Shokrieh和Rafiee相间的模型。唯一的区别是,他们用桁架元素而不是春天的元素间期。他们报道同一趋势Shokrieh报道和Rafiee相比,混合的规则。
Ayatollahi et al。30.)获得的属性RVE考虑相间3倍的碳纳米管的厚度和不同弹性模0.2,2,20 GPa。他们调查了相间的效果RVE的属性间期的不同弹性模量的值。他们发现一般来说,通过增加界面的模量,问之间的荷载传递和聚合物将改善和纳米复合材料的模量将增加。
有限元建模的研究概述问和聚合物之间的界面区域提出了表3。
从表可以看出3那些认为问之间的交互通过武力和周围的聚合物发生环境也使用接口来模拟问和聚合物之间的相互作用。他们已经观察到提高界面强度导致收敛性的纳米复合材料的模量获得的混合物,因为它们解决问和聚合物之间的完美结合。
另一方面,当问之间的交互和周围的聚合物作为一个物理环境,问和周围的聚合物之间的界面是建模。间期出现在形式的建模之间的中间材料地区问的形式和聚合物或连接问和聚合物之间的联系捕捉到春天,桁架、梁元素。前者称为连续相间的建模,而后者称为半连续统建模的间期。
4所示。结论
建模之间的接口/地区间期问,综述了聚合物科学审查。理论研究分为两个主要团体:原子论的建模和连续体建模。
原子论的建模可以捕获的剪切强度和键能问之间的接口和周围的纳米聚合物基质。此外,获得的属性可以高档到宏观尺度模型。美国原子(UA)和粗粒(CG)方法是有前途的解决方案扩展模拟微尺度。然而,beads-incorporated模拟仍然需要大量的计算和仅限于小长度尺度相比,连续介质模型。此外,获得准确的非线性力学性能是一种使用CG方法的局限性。因此,连续体建模被不同的研究人员克服困难。但连续体建模的程度可以真正预测问在纳米尺度的实际行为必须仔细研究。
连续介质模型可以分析或数值。分析连续体模型的建模通常认为简单地问和周围聚合物之间的完美结合,并试图捕捉完美结合的影响在问和聚合物通过引入微观力学的一些校正因子的规则。
使用有限元数值连续体建模的发生是分为三个主要组。第一组考虑迫使问和聚合物之间的相互作用通过界面不考虑任何不同的材料。在这一组中,研究人员通常用连续介质代替问为了简单起见,因此他们的结果报告的方法的值的混合物。值得一提的是,规则的基本假设的混合物是无效的问。微观力学考虑连续介质的补强剂,这是不相关的,问的情况下,它也假定时问和周围的聚合物之间完美的结合而不是问自然与聚合物相互作用就是secu * tanu减去vdW通过弱相互作用。
第二组认为一个中间材料区域问和聚合物作为连续介质和使用不同的值的属性不同的地区。这个区域的厚度和机械性能在这一类问题的研究中,选择没有实验基础。几乎所有研究选定的杨氏模量间期区域的不同参数之间的杨氏模量的树脂和问。
前两组可以还发现领域的分析建模。
第三组使用不同的元素组成的联合,酒吧,桁架,春天,和梁构造问之间的交互和周围的聚合物。这些元素的属性得到了从分子空间,因此等效结构成员使用。由于连续区域的具体事实尚未考虑相间地区实际上连续元素用于分子间相互作用的目的,这一群体的研究也称为半连续统建模。就是secu * tanu减去vdW考虑连续体材料的地区,而不是问和周围的聚合物之间的相互作用或共价键是模拟使用连续元素。前者是自然问和聚合物之间的相互作用在缺乏化学功能化,而后者捕捉功能化问。半连续统模型已经收到了更多的兴趣研究人员近年来。
它可以得出的结论是,尽管原子论的建模可以在局部属性提供一个准确的结果,问和聚合物之间的相互作用,它是计算密集型,限制在很短的时间和小长度尺度。然而,连续体建模可以被认为是一种合理的折衷方法建模,虽然关注全球行为而不是本地的。在发达连续体建模,首选的方法是半连续统建模,在问是当作一个晶格结构,问之间的交互和周围的聚合物被连续元素取代。