一种多尺度模拟氧化石墨烯增强尼龙复合材料的分析方法技术

本发明专利技术属于复合材料中氧化石墨烯含量分析技术领域，解决了传统实验方法很难对氧化石墨烯在复合材料中的纳米尺度含量进行精确控制的问题

【技术实现步骤摘要】
一种多尺度模拟氧化石墨烯增强尼龙复合材料的分析方法


[0001]本专利技术属于复合材料中氧化石墨烯含量分析
，具体涉及一种多尺度模拟氧化石墨烯增强尼龙复合材料的分析方法
。

技术介绍

[0002]氧化石墨烯是一种具有优异力学性能和化学稳定性的纳米填料
。
其高比表面积
、
高机械强度和优异导热性使其成为增强复合材料的理想选择
。
然而，准确确定氧化石墨烯在复合材料中的含量是实现优化性能的关键
。
因此，开发一种准确
、
可靠的分析方法来确定氧化石墨烯在复合材料中的含量至关重要
。
[0003]目前，常用的实验方法对复合材料中氧化石墨烯含量的测量存在一些局限性，例如操作复杂
、
耗时耗力
、
无法实现对纳米尺度的精确控制
。
因此，采用计算模拟方法来分析氧化石墨烯在复合材料中的含量具有重要意义
。
[0004]多尺度模拟是一种有效的计算模拟方法，能够在不同尺度上揭示材料的行为和性能
。
通过基于分子动力学模拟和有限元模拟的结合，可以在原子尺度和宏观尺度上对复合材料中氧化石墨烯的含量进行分析和预测
。
这种多尺度模拟方法可以提供对复合材料力学性能
、
结构特征和相互作用的深入理解
。
[0005]因此，开发一种多尺度模拟氧化石墨烯增强尼龙复合材料的分析方法，可以为复合材料的设计和制备提供重要的指导和优化路径，促进复合材料的性能提升和应用拓展
。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种多尺度模拟氧化石墨烯增强尼龙复合材料的分析方法
。
[0007]本专利技术采用如下的技术方案实现：一种多尺度模拟氧化石墨烯增强尼龙复合材料的分析方法，包括以下步骤：
[0008]S1
：构建氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型，其中尼龙作为基体，氧化石墨烯作为夹杂物；改变夹杂物的体积分数，生成多个氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型；
[0009]S2
：模拟氧化石墨烯
/
尼龙复合材料在微观层面的运动，确定力学性能最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型和该模型下氧化石墨烯的体积分数；
[0010]S3:
构建氧化石墨烯
/
尼龙复合材料有限元模型，其中尼龙作为基体，最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型中的复合材料作为夹杂物，改变夹杂物的体积分数，生成多个氧化石墨烯
/
尼龙复合材料有限元模型；
[0011]S4
：根据有限元模型的模拟结果，确定力学性能最优
、
等效弹性模量最大的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料有限元模型和该模型下氧化石墨烯的体积分数；
[0012]S5
：将最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型中夹杂物和基体力学性能
、
夹杂物的体积分数带入自洽理论模型
、Mori
‑
Tanaka
模型
、Double
‑
Inclusion
模型
、
Halpin
‑
Tsai
模型，并与最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型进行比对
、
相互验证；将最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型中夹杂物和基体力学性能和最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料有限元模型中夹杂物的体积分数带入自洽理论模型
、Mori
‑
Tanaka
模型
、Double
‑
Inclusion
模型
、Halpin
‑
Tsai
模型，并与最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料有限元模型进行比对
、
相互验证；得出适合表征氧化石墨烯
/
尼龙复合材料力学性能的最优理论模型
。
[0013]优选地，步骤
S1
中，氧化石墨烯的石墨烯片片层的边缘氧化为羧基与尼龙结合，尼龙是由尼龙单体聚合成的尼龙链，建立2条链
、4
条链
、6
条链
、8
条链
、10
条链
、12
条链
、14
条链和
16
条链混合的尼龙分子动力学模型，并与氧化石墨烯分子动力学模型一同构建氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型
。
[0014]优选地，步骤
S2
中，使用
LAMMPS
模拟复合材料在原子尺度上的力学行为和相互作用，分子动力学模拟包括
LAMMPS
进行力场的选择
、
步长的设置
、
边界条件的选择
、
能量最小化的设置
、
弛豫的方式和时间和单轴拉伸参数的设置
。
[0015]优选地，氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型初始时间步设置为
0.05fs
，设置周期边界条件，在能量最小化的过程中选择共轭梯度法；弛豫的方式
、
时间和单轴拉伸的步骤包括：
[0016]T1
：在弛豫过程中先选择
NVT
系综下，使模型在
100K
下弛豫
1000fs
，接着使模型在
NPT
系综下弛豫
1000fs
；
[0017]T2
：改变温度到
300K
，弛豫
1000fs
，接着在
NVT
系综下弛豫
1000fs
，然后在
1000fs
时间内将温度逐渐升到
500K
，再弛豫
1000fs
；
[0018]T3
：在
1000fs
内将模型温度由
500K
降到
300K
，再弛豫
1000fs
；
[0019]T4
：在
100K
的温度下，选用
NPT
系综，弛豫
25000fs
，最后在
NVT
系综下弛豫
250fs
，随后进行单轴拉伸
。
[0020]优选地，氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多尺度模拟氧化石墨烯增强尼龙复合材料的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：构建氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型，其中选取尼龙作为基体，氧化石墨烯作为夹杂物；改变夹杂物的体积分数，生成多个氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型；
S2
：模拟氧化石墨烯
/
尼龙复合材料在微观层面的运动，确定力学性能最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型和该模型下氧化石墨烯的体积分数；
S3:
构建氧化石墨烯
/
尼龙复合材料有限元模型，其中选取尼龙作为基体，最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型中的复合材料作为夹杂物，改变夹杂物的体积分数，生成多个氧化石墨烯
/
尼龙复合材料有限元模型；
S4
：根据有限元模型的模拟结果，确定力学性能最优
、
等效弹性模量最大的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料有限元模型和该模型下氧化石墨烯的体积分数；
S5
：将最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型中夹杂物和基体力学性能
、
夹杂物的体积分数带入自洽理论模型
、Mori
‑
Tanaka
模型
、Double
‑
Inclusion
模型
、Halpin
‑
Tsai
模型，并与最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型进行比对
、
相互验证；将最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型中夹杂物和基体力学性能和最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料有限元模型中夹杂物的体积分数带入自洽理论模型
、Mori
‑
Tanaka
模型
、Double
‑
Inclusion
模型
、Halpin
‑
Tsai
模型，并与最优的氧化石墨烯
/
尼龙复合材料有限元模型进行比对
、
相互验证；得出适合表征氧化石墨烯
/
尼龙复合材料力学性能的最优理论模型
。2.
根据权利要求1所述的一种多尺度模拟氧化石墨烯增强尼龙复合材料的分析方法，其特征在于：步骤
S1
中，氧化石墨烯的石墨烯片片层的边缘氧化为羧基与尼龙结合，尼龙是由尼龙单体聚合成的尼龙链，建立2条链
、4
条链
、6
条链
、8
条链
、10
条链
、12
条链
、14
条链和
16
条链混合的尼龙分子动力学模型，并与氧化石墨烯分子动力学模型一同构建氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型
。3.
根据权利要求2所述的一种多尺度模拟氧化石墨烯增强尼龙复合材料的分析方法，其特征在于：步骤
S2
中，使用
LAMMPS
模拟复合材料在原子尺度上的力学行为和相互作用，分子动力学模拟包括
LAMMPS
进行力场的选择
、
步长的设置
、
边界条件的选择
、
能量最小化的设置
、
弛豫的方式和时间和单轴拉伸参数的设置
。4.
根据权利要求3所述的一种多尺度模拟氧化石墨烯增强尼龙复合材料的分析方法，其特征在于：氧化石墨烯
/
尼龙复合材料分子动力学模型初始时间步设置为
0.05fs
，设置周期边界条件，在能量最小化的过程中选择共轭梯度法；弛豫的方式
、
时间和单轴拉伸的步骤包括：
T1
：在弛豫过程中先选择
NVT
系综下，使模型在
100K
下弛豫
1000fs
，接着使模型在
NPT
系综下弛豫
1000fs
；
T2
：改变温度到
300K
，弛豫
1000fs
，接着在
NVT
系综下弛豫
1000fs
，然后在
1000fs
时间内将温度逐渐升到
500K
，再弛豫
1000fs
；
T3
：在
1000fs
内将模...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭章新，泰哲，陈琦，杨景仪，秦晨，李永存，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：