纳米通道中聚乙烯分子流动特性的分子动力学研究

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近几十年来,随着微纳米加工技术的发展,高分子聚合物流体在微纳米尺度下的流动被广泛关注,但因为高分子聚合物流体表现出异于牛顿流体的独特性质,目前针对高分子聚合物流体流动理论的建立并不全面,所以无论在实验上还是理论上,研究高分子聚合物流体在微纳尺度上的流动都是当今的热点话题。随着电子显微镜及其相关先进观察设备的高速发展,很多学者在实验上也获得了高分子聚合物在微纳通道中运动过程的一些研究成果,但因为实验设备、环境因素以及加工技术的限制,使得相关的实验数据并不丰富,因此更多的学者采用分子动力学模拟的方法对微纳尺度下的聚合物流体流动进行研究,也提出了很多经验模型。但采用经验模型得到的数据结果有时与实验数据差距大,并且对某种特定的聚合物流体缺乏指导意义,在采用分子动力学模拟聚乙烯分子链的特征数值被公布之后,本文成功模拟了聚乙烯流体在各种微纳通道中的流动过程并得到了很多有指导意义的结果,对高分子聚合物流体在微纳尺度下的流动的研究提供了技术支持。  因为在变截面通道模型中,常用的分子动力学处理虚拟热壁面的全反射壁面处理方法和随机反射壁面处理方法存在局限性,所以本文首先提出了一种适用性更强的虚拟热壁面处理方法——半反射壁面处理方法,然后采用纳米间距平行平板通道中氩流体和纳米矩形通道中氩流体的平衡态分子动力学模拟的结果验证这种方法的正确性和可应用性。此后,采用半反射壁面处理方法,对纳米间距平行平板通道中聚乙烯流体的平衡态、非平衡态,纳米矩形通道中聚乙烯流体的平衡态、非平衡态采用分子动力学方法进行模拟。在此工作的基础上,本文针对纳米注射这种广泛应用的技术,采用分子动力学方法模拟了变截面纳米通道内聚乙烯分子注射过程。通过本文的研究主要得到以下主要结论:  1)采用半反射壁面条件处理方法不仅可以在分子动力学模拟中体现恒壁温条件和壁面不光滑的物理条件,而且也可以在分子动力学模拟中真实反映粒子反射后的位置;还可以在不规则纳米通道中应用,简化速度矢量计算方法,从而便于计算;  2)在其它条件相同的通道中,分子链链长主要影响聚乙烯分子链的重心分布,链长300相对于链长30的聚乙烯分子链更加集中分布在中心轴附近;  3)在其它条件相同的通道中,在非平衡态流动的纳米间距平行平板通道中和平衡态的纳米矩形通道中,壁面对聚乙烯分子链发生吸附作用,随着通道宽度(矩形通道高度与宽度比值)增大,聚乙烯分子链的分布重心由壁面逐渐向中心轴转移,聚乙烯分子链的集中对聚乙烯的流动除了具有阻力的影响之外,还起到了稳定聚乙烯流体流动速度的作用;  4)在其它条件相同的通道中,亚甲基粒子和聚乙烯分子链随着系统平均密度的增大而逐渐呈现出均匀分布;  5)在其它条件相同的通道中,随着外力增大,粒子平均速度增大;  6)无论是链长30还是链长300的聚乙烯流体,在锥面倾角为a=45°的纳米通道中施加外力-f=′2010/23 J A过程。o更有利于分子链有序地进入到变截面通道中完成注射
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