分子间范德华力对物质粘弹性的影响研究

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粘弹性物质由于其兼具粘性及弹性的双重属性而在工程领域广受关注,粘弹性性能的改变及描述对于粘弹性物质的工程应用至关重要。然而目前用于描述粘弹性的模型通常为弹簧和粘性阻尼体的线性组合,这些模型需要通过大量的实验测试获取其粘性系数及弹性模量,存在工作量大及测量精确度不高等问题。由于粘弹性属于物质属性之一,当物质确定,则其粘度、弹性模量等也随之固定,倘若能从分子本源角度将已知的物质分子结构、分子间作用力等微观参数与粘弹性这一宏观物理量建立关系,便可根据物质自身微观性质直接预测出粘弹性。范德华力作为分子间最主要的作用力之一,对物质构成及物理属性有重要影响,故研究范德华力对粘弹性的影响,将有助于从微观角度解释粘弹性产生的微观机理,为粘弹性的工程运用及粘弹性材料的开发提供一定指导作用。本文首先运用平衡态分子模拟方法开展了外部环境参数(温度、密度)变化下的单原子L-J体粘弹性的影响研究。选取粘弹性变化较大的液固共存区域ρ*=0.851.0,T*=0.61.5范围,探讨了单原子L-J体的粘弹性随温度、密度的变化规律,并进一步探讨了范德华力对单原子L-J体粘弹性的影响机理。结果表明,单原子L-J体的粘度η*随着密度升高或温度降低而升高,无穷大频率剪切模量G*与温度、密度正相关;高频区储能模量G’*及损耗模量G"*均随温度和密度的升高而增强;范德华作用成断键速率越强,η*越低,特征弛豫时间λ越小;粒子位移分布越集中,低频区物质抵抗形变能力越强;随着粒子周围势能差ΔU*增大,ωloss peak*、G’max*、G”max*均增大,储能、损耗模量朝高频偏移且数值增大;ωloss peak*与ΔU*存在线性关系,并提出了ωloss peak*的预测公式。其次,在ρ*=0.9,T*=0.6下,本文开展了变势参数ε、σ条件下(ε=0.81.3、σ=0.971.0)的单原子L-J体粘弹性的研究。分析了η*、G*、G’*及G"*的变化规律,并探讨了变势参数下的范德华力对粘弹性的影响机理。在势参数变化下系统的静态粘弹性η*、G*均随着ε、σ的增大而增大,动态粘弹性G’*及G"*在全频率范围内亦随着ε、σ的增大而增大,其中,中高频区G’*的增强效果尤为显著。此外,势参数变化下的范德华力对粘弹性的作用机理与变温度、密度条件下一致,同样可以从范德华作用成断键过程、粒子动态位移分布及粒子周围势能波峰波谷能量差三方面进行解释,且变温度密度下的ωloss peak*的预测公式也适用于变势参数条件ωloss peak*的预测。最后,本文将研究模型拓展至混合双原子L-J体,对ρ*=0.90.95,T*=0.60.7,εa=0.81.3,σa=0.981.2范围内各混合比的混合双原子L-J体的粘弹性进行研究,分析了混合系统的粘弹性随温度、密度、L-J势参数的变化规律,初步探讨了范德华力对混合双原子物质粘弹性的影响机理,并进一步探究了异种粒子间的作用力对粘弹性的影响。结果表明,混合双原子L-J体的η*、G*、G’*及G"*随参数变化的规律与单原子L-J体基本相似;若粒子周围由范德华力产生的势能发生波动,双原子L-J体的粘弹模量将发生异于Maxwell模型的波动现象;随着异种粒子间作用力的增大,混合系统将由不溶态逐渐混溶,未混合时粘弹性几乎不变,但一旦粒子混合后,随着εab增大,混合系统的η*、G*、G’*及G"*均将显著增大,系统将逐渐固态化。
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