一种聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法技术

本发明专利技术涉及一种聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法，包括：S1）构建聚乳酸分子链，进行几何优化；S2）构建不同长度的碳纳米管模型，在其外表面接枝官能团，构建碳纳米管模型和官能化碳纳米管模型；S3）搭建纯聚乳酸材料、碳纳米管/聚乳酸复合材料、官能化碳纳米管/聚乳酸复合材料无定型晶胞；S4）对建立好的模型进行能量最小化和分子动力学驰豫计算；S5）计算晶胞模型力学性能参数；通过改变晶胞的边长达到拉伸目的展示应力应变关系，分析材料拉伸性能；对比分析相同温度、压强条件下三种材料模拟的力学性能参数和应力应变关系，得到预测结果。该方法有利于便捷、准确地预测聚乳酸复合材料的性能，降低实验成本，缩短研发周期。

【技术实现步骤摘要】
一种聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法
本专利技术属于高分子材料模拟领域，特别涉及一种基于materialsstudio的聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法。
技术介绍
伴随全球经济发展和人口稳定增长，气候变暖以及可利用资源所剩不多，发展环境友好型的生物可降解材料迫在眉睫。聚乳酸（PLA）作为一种完全生物可降解材料，以其优良的生物降解性、生物吸收性和生物相容性，在应用价值方面是生物可降解材料中最具潜力的一种，而聚乳酸想要广泛的应用，强度还较低，韧性和耐温性也较差，针对这些特点需要对聚乳酸材料进行改性研究。当前有关聚乳酸材料的研发主要依靠科学家们的理论推导和大量试验进行尝试，随着计算机技术的高速发展，有些实验可以借助模拟手段来预测，对实际实验的进行起着积极指导作用，还可以降低实验的预算。分子动力学模拟在材料的研究领域已经逐渐发展为一种重要的研究手段，它具有周期短、成本低等优点，还具有模拟纳观层面上的物理变化的独特优势，并在相关领域发挥着重大作用。如何减轻实验成本带来的负担以及纳米尺度上制备和操作样品的困难，是一项重要的研究课题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法，该方法有利于便捷、准确地预测聚乳酸复合材料的性能，降低实验成本，缩短研发周期。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于materialsstudio的聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法，包括以下步骤：S1）借助buildpolymers构建聚乳酸分子链，再将建立好的聚乳酸分子链通过Forcite模块进行几何优化；S2）构建不同长度的碳纳米管模型，在碳纳米管外表面接枝官能团，构建碳纳米管模型和官能化碳纳米管模型；S3）借助AmorphousCell模块依据蒙特卡洛方法搭建纯聚乳酸材料、碳纳米管/聚乳酸复合材料、官能化碳纳米管/聚乳酸复合材料无定型晶胞；S4）借助Forcite模块对建立好的模型进行能量最小化和分子动力学驰豫计算；S5）利用Mechanicalproperties中常应变方法计算晶胞模型力学性能参数；通过改变晶胞的边长达到拉伸目的，展示应力应变关系，分析材料拉伸性能；对比分析相同温度、压强条件下纯聚乳酸材料、碳纳米管/聚乳酸复合材料、官能化碳纳米管/聚乳酸复合材料模拟的力学性能参数和应力应变关系，得到预测结果。进一步地，所述步骤S1中，构建聚乳酸分子链时，预先构建单体分子模型，预先设置好分子链的聚合度；通过Smart算法优化几何结构，预先设置力、能量和位移最大收敛容差，几何优化过程最大迭代次数。进一步地，所述步骤S2中，为了消除非键合碳原子的影响，对构建的碳纳米管和官能化碳纳米管模型两端进行加氢处理；在构建好的不同长度的碳纳米管和官能化碳纳米管使用共轭梯度法对模型进行优化。进一步地，所述步骤S3中，构建复合材料无定型晶胞时，将碳纳米管与官能化碳纳米管的质心置于晶胞的体心位置，使得两种类型的碳纳米管模型的轴向与X方向平行。进一步地，构建复合材料无定型晶胞模型时，预先设置计算模拟无定型晶胞的初始温度和初始密度。进一步地，所述步骤S4中，对建立好的无定型晶胞模型进行能量最小化计算，借助Forcite模块进行几何优化时，预先设置优化算法，有关力、能量和位移的最大收敛容差，以及几何优化过程最大迭代次数。进一步地，初步几何优化后的无定型晶胞模型可能会陷入局部的能量最低状态，需进行退火模拟计算，计算前预先设置：初始温度为300K，最高温度为600K，退火循环次数为10，步长为1fs，总时长为400ps。进一步地，对无定型晶胞进行能量最小化处理之后，进行动力学驰豫计算，在NVT系综下进行200ps的动力学计算平衡结构，再在NPT系综下进行500ps的动力学计算最优结构。进一步地，所述步骤S5中，计算纯聚乳酸材料模型以及聚乳酸复合材料模型力学性能的具体方法为：借助Forcite模块计算力学性能的mechanicalproperties中常应变方法，在模型xx、yy、zz、yz、zx、xy施加应变，通过反馈回来的应力计算对应的刚度系数，在所有方向上计算完成之后得到模型的刚度矩阵，通过刚度矩阵得到力学性能的相关参数，包括模型的体积模量、剪切模量、杨氏模量以及拉梅常数。进一步地，所述步骤S5中，通过改变晶胞的边长达到拉伸目的，展示应力应变关系，分析材料拉伸性能的具体方法为：预先确定模型的拉伸方向，修改晶胞边长参数确定拉伸量，进一步借助NVT动力学计算平衡结构，得到拉伸之后的结构，分析平衡之后模型的应力状态，得到拉伸后的应力参数；重复上述过程得到模型拉伸过程中的应力应变关系；对比分析相同温度、压强条件下纯聚乳酸材料、碳纳米管/聚乳酸复合材料、官能化碳纳米管/聚乳酸复合材料模拟的力学性能参数和应力应变关系，得到性能预测结果。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供了一种基于分子动力学的聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法，能够构建出精确的复合材料模型，预测出材料的微观状态和力学性能，通过将性能模拟结果参数与相关实验文献对比，验证模型的构建与性能预测方法的正确性；基于计算机模拟的优势，可以降低实验成本，缩短研发周期。本专利技术通过改变碳纳米管的长度以及对碳纳米管官能化，借助模型更直观的表现出对聚乳酸复合材料力学性能产生影响的因素。本专利技术还通过改变晶胞参数后对模型进行动力学计算及做拉伸处理，提供一种揭示材料拉伸行为过程中应力应变关系的方法。附图说明图1是本专利技术实施例的方法实现流程图。图2是本专利技术实施例中聚乳酸单体分子和优化后的聚乳酸分子链的示意图。图3是本专利技术实施例中碳纳米管和官能化碳纳米管优化结构后的示意图。图4是本专利技术实施例中动力学驰豫计算后的纯聚乳酸材料、碳纳米管/聚乳酸复合材料、官能化碳纳米管/聚乳酸复合材料晶胞模型。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。如图1所示，本专利技术提供了一种基于materialsstudio的聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法，包括以下步骤：S1）借助buildpolymers构建聚乳酸分子链，再将建立好的聚乳酸分子链通过Forcite模块进行几何优化。具体的，步骤S1包括以下实施步骤：首先构建聚乳酸单体分子模型如图2(a)，将建好的单体分子模型初步优化后通过buildpolymers构造出聚合度为50的聚乳酸分子链，之后将构建好的聚乳酸分子链进行几何结构优化，优化后的结构如图2(b)，几何优化的参数设置为：在COMPASSII力场下选择smart优化算法；预先设置能量、力和位移的最大容差分别为2.0×10-5kcal/mol，1.0×10-3kcal/mol/Å，1.0×10-5Å；优化的最大迭代次数为20000。S2）构建不同长度的碳纳米管模型，在碳纳米管外表面接枝官能团，构建碳纳米管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于materials studio的聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1）借助build polymers构建聚乳酸分子链，再将建立好的聚乳酸分子链通过Forcite模块进行几何优化；/nS2）构建不同长度的碳纳米管模型，在碳纳米管外表面接枝官能团，构建碳纳米管模型和官能化碳纳米管模型；/nS3）借助Amorphous Cell模块依据蒙特卡洛方法搭建纯聚乳酸材料、碳纳米管/聚乳酸复合材料、官能化碳纳米管/聚乳酸复合材料无定型晶胞；/nS4）借助Forcite模块对建立好的模型进行能量最小化和分子动力学驰豫计算；/nS5）利用Mechanical properties中常应变方法计算晶胞模型力学性能参数；通过改变晶胞的边长达到拉伸目的，展示应力应变关系，分析材料拉伸性能；对比分析相同温度、压强条件下纯聚乳酸材料、碳纳米管/聚乳酸复合材料、官能化碳纳米管/聚乳酸复合材料模拟的力学性能参数和应力应变关系，得到预测结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于materialsstudio的聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1）借助buildpolymers构建聚乳酸分子链，再将建立好的聚乳酸分子链通过Forcite模块进行几何优化；
S2）构建不同长度的碳纳米管模型，在碳纳米管外表面接枝官能团，构建碳纳米管模型和官能化碳纳米管模型；
S3）借助AmorphousCell模块依据蒙特卡洛方法搭建纯聚乳酸材料、碳纳米管/聚乳酸复合材料、官能化碳纳米管/聚乳酸复合材料无定型晶胞；
S4）借助Forcite模块对建立好的模型进行能量最小化和分子动力学驰豫计算；
S5）利用Mechanicalproperties中常应变方法计算晶胞模型力学性能参数；通过改变晶胞的边长达到拉伸目的，展示应力应变关系，分析材料拉伸性能；对比分析相同温度、压强条件下纯聚乳酸材料、碳纳米管/聚乳酸复合材料、官能化碳纳米管/聚乳酸复合材料模拟的力学性能参数和应力应变关系，得到预测结果。


2.根据权利要求1所述的一种基于materialsstudio的聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法，其特征在于，所述步骤S1中，构建聚乳酸分子链时，预先构建单体分子模型，预先设置好分子链的聚合度；通过Smart算法优化几何结构，预先设置力、能量和位移最大收敛容差，几何优化过程最大迭代次数。


3.根据权利要求1所述的一种基于materialsstudio的聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法，其特征在于，所述步骤S2中，为了消除非键合碳原子的影响，对构建的碳纳米管和官能化碳纳米管模型两端进行加氢处理；在构建好的不同长度的碳纳米管和官能化碳纳米管使用共轭梯度法对模型进行优化。


4.根据权利要求1所述的一种基于materialsstudio的聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法，其特征在于，所述步骤S3中，构建复合材料无定型晶胞时，将碳纳米管与官能化碳纳米管的质心置于晶胞的体心位置，使得两种类型的碳纳米管模型的轴向与X方向平行。


5.根据权利要求4所述的一种基于materialsstudio的聚乳酸复合材料模型构建及性能预测方法，其特征在于，构建复合材料无定型晶胞模型时，预先设置计算模拟无定型晶胞的初始温度和初始密度。


6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢月美，白建平，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35