链结构对高分子材料导热性能影响的分子动力学模拟研究

【摘要】随着工业化生产和科学技术的快速发展，高分子材料因其价格低廉、综合性能优异等优点被广泛应用于航空、航天、电子和电气等领域中，然而其导热性能极差(约0.1W·m-1·K-1)，不能适应高集成度和高功率所产生的高热量，以致出现热疲劳破坏等问题，因此高分子材料的导热性能亟需改善。本文基于非平衡态分子动力学（NEMD）方法，以高分子链和高分子体材料为研究对象，研究了链结构（双键、支化和拉伸形变）对高分子材料导热性能的影响，并进一步探讨了其微观导热机理，以期为高分子材料导热性能的改善提供理论预测与指导。本文模拟了聚乙炔（PAc）、聚乙烯（PE）和顺1，4-聚丁二烯（cis-1,4-PB）分子链的热传导过程，研究了双键对高分子链导热性能的影响。结果表明随着链长（L）的增大，高分子链的热导率逐渐增大，且增加趋势逐渐变缓，其中含共轭双键的高分子链热导率最高，不含双键的高分子链次之，含非共轭双键的高分子链最低；均方回转半径（<Rg2>）和均方位移（MSD）分别能反映高分子构象的大小和变化情况，共轭双键使体系的<Rg2>和MSD均减小，非共轭双键则反之。径向分布函数（RDF）用于反映分子主链上原子的分布情况，双键使体系的RDF更大。振动态密度图谱（VDOS）的高频峰能反映原子的伸缩、弯曲振动等，其显示含非共轭双键的分子链峰值较高，含共轭双键的分子链峰值较低；VDOS的低频峰与体系的热扩散有关，其显示含双键的分子链峰值均较高。模拟了立构规整的乙丙交替共聚物（alternatingisotacticPEP）、聚异戊二烯（PI）分子链的热传导过程，研究了支化对高分子链导热性能的影响。结果表明，通过与PE和cis-1,4-PB分子链热导率的对比，发现主链上含支链的高分子链热导率较低，有限尺寸效应较明显；此外，支化使体系的<Rg2>和MSD均增大；对于不含双键体系，支化使体系的RDF增大，而含双键体系则反之；VDOS图谱显示，含支链高分子链高频峰值较高，低频峰值较低。模拟了被拉伸的PE分子链和PE体材料的热传导过程，研究了拉伸形变对高分子材料导热性能的影响。结果表明当拉伸应变量（ε）一定时，随着L的增大，高分子链和高分子体材料的热导率均逐渐增大，但前者的增加趋势逐渐变缓，而后者的增加趋势先增大后减缓；当L一定时，随着ε的增大，高分子链和高分子体材料的热导率均逐渐增大，且增加趋势逐渐变缓；高分子链的<Rg2>、MSD、RDF以及VDOS图谱的高频峰均随ε的增大而减弱；当L较短时，高分子体材料的MSD、RDF以及VDOS图谱的高频峰均随ε的增大先增大后降低，而当L较长时，则均随ε的增大而增大，但增大趋势逐渐减缓。此外，高分子链和高分子体材料的VDOS图谱低频峰均随ε的增大先增强后减弱。
【作者】林也平；
【导师】刘亚青；
【作者基本信息】中北大学，材料学，2014，硕士
【关键词】高分子链结构；热导率；非平衡分子动力学；有限尺寸效应；振动态密度；

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