Молекулярно-динамическое моделирование низкотемпературной деформации стеклообразного полиметилена

• Автор: Стрельников, Иван Александрович
• Шифр специальности: 02.00.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 152 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 Обзор подходов и методов
1.1 Полимерные стекла в компьютерных экспериментах
1.1.1 Способы описания полимерных молекул
1.1.2 Описание методов моделирования
1.1.3 Получение полимерных стекол в компьютерных экспериментах
1.2 Методы анализа механизмов пластичности, применяемые при моделировании деформации аморфных тел
1.2.1 Структурные характеристики
1.2.2 Динамические характеристики
1.3 Изучение молекулярных перестроек при моделировании деформации аморфных тел
1.3.1 Феноменологические теории
1.3.2 Анализ локальных перестроек
1.3.3 Связь локальных перестроек с молекулярной структурой
Глава 2 Подвижность частиц в низкотемпературном двумерном стекле
2.1 Описание модели и методики расчета
2.2 Анализ частиц «мягкой» фазы
2.3 Выводы к главе
Г лава 3 Получение образцов стеклообразного полиметилена и анализ их структуры
3.1 Полиметилен из объединенных атомов
3.2 Полноатомная модель полиметилена
3.3 Конформационный состав полимерных стекол
3.4 Выводы к главе
Глава 4 Влияние деформации на структуру и молекулярную подвижность стеклообразного ПМ
4.1 Методика моделирования

4.2 Зависимость напряжения от деформации
4.3 Изменение плотности при деформации
4.4 Кавитация при растяжении полноатомных образцов ПМ
4.5 Потенциальная энергия и ее составляющие
4.6 Влияние деформации на ориентацию полимерных звеньев
4.7 Методы анализа структурных перестроек при низкотемпературной деформации стеклообразных полимеров
4.8 Анализ неаффинных смещений
4.8.1 Распределение частиц по величине неаффинных смещений
4.8.2 Визуальный анализ смещений частиц
4.8.3 Пространственная корреляция неаффинных смещений
4.8.4 Как смещаются фрагменты цепей при деформации?
4.9 Связь неаффинных смещений со свободным объемом
4.9.1 Объем многогранников Вороного и неаффинные смещения
4.9.2 Неаффинные смещения и заметаемый объем
4.10 Анализ конформационной подвижности
4.10.1 Влияние деформации на конформационный состав
4.10.2 Интенсивность конформационных переходов
4.10.3 Корреляция переходов вдоль цепи
4.10.4 Неаффинные смещения и конформационные переходы
Выводы
Приложение. Алгоритмы построения разбиения Вороного
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Молекулярное моделирование в настоящее время является одним из важнейших методов исследования сложных молекулярных систем. Современная вычислительная техника позволяет моделировать молекулярную структуру и подвижность самых различных объектов от нанокластеров и биомолекул до растворов полиэлектролитов и белковых комплексов в биомембранах, изучать их механические, тепловые и электрические свойства [1, 2, 3, 4]. В частности, компьютерное моделирование механического поведения неупорядоченных твердых тел стало в последние годы основным инструментом исследования этих сложных объектов [5], что связано, в первую очередь, с ограниченными возможностями экспериментальных методов, которые, как правило, дают только интегральную информацию об изучаемых системах и не позволяют анализировать отдельные молекулярные перестройки во время деформирования. Существующие методы компьютерного моделирования позволяют не только визуализировать атомные перегруппировки, происходящие при пластической деформации, но и проверить, верифицировать различные модели механического поведения материалов, исследовать деформационные процессы на количественном уровне [1,2].
Диссертация посвящена изучению молекулярных механизмов низкотемпературной пластической деформации стеклообразных полимеров, развитию и применению новых подходов, позволяющих в рамках молекулярно-динамического (МД) моделирования анализировать структурные перестройки в полимерных стеклах.
В работе рассматривается одноосная деформация сжатия и растяжения стеклообразного полиметилена (ПМ) - простейшего гибкоцепного неразветвлен-ного полимера, который чаще всего используется в компьютерных экспериментах. Основное внимание уделяется нахождению и анализу структурных перестроек, выяснению их связи с конформационными переходами и локальной плотностью. При этом для сравнения деформационного поведения образцов с различной детализацией впервые вместе с обычной моделью

полоса сдвига, возрастали как скорости локальной деформации, так и потенциальная энергия взаимодействия частиц.
Локальный тензор напряжения. В соответствии с теорией STZ необратимые перестройки частиц при деформации должны происходить по сдвиговому механизму. Поэтому выявление локальных областей с высоким сдвиговым напряжением может выявить более предрасположенные из них к сдвиговым трансформациям. Также представляет интерес изучение областей наиболее сильно сопротивляющимся деформации, т.е. обладающих высоким напряжением вдоль направления деформации.
В работе [65] с помощью тензора локальных находили области с высоким сдвиговым (тау-дефекты) давлением. Критическая величина выбиралась так, что доля тау-дефектов составляла 21% от общего числа атомов. Для сдвиговых дефектов было получено, что они всегда имеют место в областях перестроек, однако не всегда приводят к перестройкам, т.е. выделяют все области, предрасположенные к пластическим перестройкам.
В статье [72] при анализе областей пластической перестройки А% (см. п. 1.2.2) было получено, что при перестройке наблюдается падение среднего по частицам ТУ/« давления вдоль оси деформации. При этом до перестройки наблюдается аналогичное свободному объему поведение: в центре было повышение локального давления относительно среднего по области перестройки, ближе к границе перестройки — наоборот. После перестройки эти изменения также исчезали.
В статье [66] на простейшей полимерной модели бусинки-пружинки проверяли критерий Мизеса для сдвиговой деформации: т’ос1 =то + ар, где т'ос, -второй инвариант девиатора напряжений в зубе текучести, го - напряжение в зубе текучести в отсутствие приложенного гидростатического давления, р - след шарового тензора напряжений, а - коэффициент. Также авторы проанализировали распределение локальных давлений в системе при напряжении текучести, и как оно соотносится с этим критерием, т.е. может ли этот критерий использоваться для предсказания локальных перестроек и до какого масштаба. Результаты