一种聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法技术

本发明专利技术公开了一种聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法，包括步骤：确定聚合物基复合材料中聚合物的交联反应体系，并构建无定形分子混合模型；设定交联反应参数进行交联模拟，得到交联后的聚合物分子模型，并导出交联后的聚合物分子模型数据文件，对数据文件进行预处理；调用预处理得到的聚合物分子模型数据，并设定热解模拟条件进行模拟分析，得到反应产物数据；根据反应产物数据进行计算聚合物的质量保留率及质量损失速率，得到聚合物热解反应过程的TG曲线及DTG曲线；利用阿伦尼乌斯方程、Kissinger方法及TG曲线、DTG曲线，计算热解动力学参数。本发明专利技术的方法能模拟雷击状态下聚合物的热解行为，得到雷击状态下聚合物的热解动力学参数。解动力学参数。解动力学参数。

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法


[0001]本专利技术涉及复合材料热解动力学分析
，具体涉及一种聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法。

技术介绍

[0002]聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体的纤维增强材料，也称树脂基复合材料，通常以环氧树脂、酚醛树脂等作为基体，以玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶等纤维作为增强体。目前常用的聚合物基复合材料，如碳纤维增强型聚合物复合材料，具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀等特性，广泛应用于航空航天、军事及民用工业等各个领域。但由于聚合物为高分子材料，其在一定的温度下会发生热分解反应，影响复合材料的性能，尤其将聚合物基复合材料用于飞机上时，在雷击情况下，雷击附着区的复合材料温度会在几纳秒(10
‑9s)内升至3500K以上，升温速率可达10
11
K/s以上，因此，研究聚合物的热解动力学是非常必要的。现有的热解动力学方法主要通过热重试验拟合得到材料的热解活化能、指前因子、反应级数等热解动力学参数，但热重试验中，所得达到的测试温度区间低(300～1500K)、升温速率小(1K/min～80K/min)，远达不到雷击状态下的温度及升温速率，而升温速率及热解最终温度会对材料的热解速率和产物有较大的影响，所以常规的热重实验难以反映雷击状态下材料的热解行为。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法，能够模拟雷击状态下的温度及升温速率，计算雷击状态下的热解动力学参数，从而为雷击损伤有限元分析提供准确的热解动力学参数。
[0004]本专利技术采用的技术解决方案是：
[0005]本专利技术提供了一种聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法，包括如下步骤：
[0006](1)确定聚合物基复合材料中聚合物的交联反应体系，根据聚合物交联反应体系并利用分子模拟软件，构建无定形分子混合模型；
[0007](2)在分子模拟软件中，设定交联反应参数，使步骤(1)所建立的无定形分子混合模型进行交联模拟，得到交联后的聚合物分子模型，导出交联后的聚合物分子模型数据文件，并进行预处理得到所需的聚合物分子模型数据；
[0008](3)利用分子模拟软件，设定热解模拟条件，进行模拟分析，得到反应产物数据；
[0009](4)根据步骤(3)得到的反应产物数据进行计算聚合物的质量保留率及质量损失速率，得到聚合物热解反应过程的TG曲线及DTG曲线；
[0010](5)利用阿伦尼乌斯方程、Kissinger方法及步骤(4)得到的TG曲线、DTG曲线，计算热解动力学参数。
[0011]在上述技术方案中，步骤(1)、(2)中所利用的分子模拟软件能够实现分子建模及
交联反应，并得到交联后的聚合物分子模型及数据；步骤(3)中所利用的分子模拟软件能够进行热解动力学模拟，并得到相应的反应产物数据。
[0012]进一步地，所述步骤(1)建立无定形分子混合模型的具体步骤为：
[0013](11)确定聚合物交联反应体系，包括聚合物单体分子、固化剂单体分子、聚合物单体分子与固化剂单体分子的数量配比以及交联前聚合物和固化剂混合体系的密度；
[0014](12)利用分子模拟软件，根据所确定的聚合物单体分子、固化剂单体分子种类分别构建聚合物单体分子模型及固化剂单体分子模型，并为聚合物单体分子及固化剂单体分子的交联点标记原子序号，将两种单体分子模型按照配比加入周期性边界条件的立方盒子中形成无定形分子混合模型。
[0015]进一步地，所述步骤(2)中交联反应参数包括力场、交联度及交联温度。
[0016]进一步地，所述步骤(2)中整理得到的聚合物分子模型数据包括原子序号、原子类型序号、电荷及原子坐标。
[0017]进一步地，所述步骤(3)具体包括如下步骤：
[0018](31)调用步骤(2)中预处理得到的聚合物分子模型数据，编写热解反应输入脚本文件，所述热解反应脚本文件中需设置热解模拟条件、Reaxff力场及包含温度、反应产物的输出结果内容；
[0019](32)在分子动力学模拟软件中，导入步骤(31)中所编写的热解模拟输入脚本文件，利用分子动力学模拟软件进行热解模拟分析，并输出模拟结果，可以得到不同反应产物的种类和分子数量。
[0020]进一步地，所述步骤(3)中热解模拟条件包括系综、模拟步长、步数、温度及压强。
[0021]进一步地，所述步骤(5)中热解动力学参数包括活化能E
a
、反应级数n及指前因子A。
[0022]本专利技术的有益效果为：
[0023](1)本专利技术所提出的聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法对多种聚合物体系均具有适用性，且通过分子模拟软件的交联程序能够对交联度精确控制，可以满足对不同聚合物体系、不同配比的研究需求；同时可以在符合聚合物交联机制的前提下完成单体分子之间的交联过程，保证了结果的真实性，对高精度分析提供了有效的保障；
[0024](2)本专利技术所提出的聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法，在所建立的聚合物分子模型基础上，利用分子模拟软件进行热解动力学模拟，能够根据需求设定环境模拟条件，输出不同环境条件下的仿真模拟结果数据；
[0025](3)本专利技术所提出的聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法，能够实现模拟雷击环境下的温度及升温速率，从而反应雷击状态下材料的热解行为，为雷击损伤分析提供准确的热解动力学参数，并能够从原子
‑
分子水平揭示复合材料热解过程微观结构与性能之间的变化关系。
附图说明
[0026]为了清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他的附图。
[0027]图1是本专利技术的流程图；
[0028]图2是本专利技术实施例中所建立的CFRP复合材料树脂基体的单体分子模型及混合分子模型；
[0029]图3是温度随步数的变化曲线；
[0030]图4是50K/ps、100K/ps、160K/ps升温速率下的TG曲线及DTG曲线；
[0031]图5是通过Kissinger方法计算活化能Ea时的拟合直线；
[0032]图6是对图4中DTG曲线求一阶导的曲线。
具体实施方式
[0033]本专利技术提供了一种聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0034]下面结合附图对本专利技术进行详细说明：
[0035]参照图1，本实施例对CFRP复合材料的交联环氧树脂基体进行雷击状态下的热解模拟，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定聚合物基复合材料中聚合物的交联反应体系，根据聚合物交联反应体系并利用分子模拟软件，构建无定形分子混合模型；(2)在分子模拟软件中，设定交联反应参数，使步骤(1)所建立的无定形分子混合模型进行交联模拟，得到交联后的聚合物分子模型，导出交联后的聚合物分子模型数据文件，并进行预处理得到所需的聚合物分子模型数据；(3)利用分子模拟软件，设定热解模拟条件，进行模拟分析，得到反应产物数据；(4)根据步骤(3)得到的反应产物数据进行计算聚合物的质量保留率及质量损失速率，得到聚合物热解反应过程的TG曲线及DTG曲线；(5)利用阿伦尼乌斯方程、Kissinger方法及步骤(4)得到的TG曲线、DTG曲线，计算热解动力学参数。2.根据权利要求1所述的一种聚合物基复合材料的热解动力学参数计算方法，其特征在于，所述步骤(1)建立无定形分子混合模型的具体步骤为：(11)确定聚合物交联反应体系，包括聚合物单体分子、固化剂单体分子、聚合物单体分子与固化剂单体分子的数量配比以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：董琪，赵致远，万国顺，贾玉玺，张如良，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：