一種樹脂金剛石復合材料的分子動力學模擬

梁火昌

（桂林信息科技學院，廣西 桂林）

引言

在傳統的微細樹脂金剛石砂輪加工過程中，存在材料嚴重浪費、形成困難和金剛石磨粒分布不均勻等問題。為了解決這些問題，本文研究一種用于制備微細砂輪的樹脂金剛石復合材料，利用熔融沉積成型技術直接打印出性能良好的微細砂輪。

ABS 是熱塑性材料，具有強度高、耐熱性好的特點。劉娟對ABS 進行改性，添加PVC 和相容劑，研究出一種具有高沖擊強度的ABS/PVC 合金[1]。臺啟樂將不同配比的ABS、PVC 進行共混，熱壓成型制備出拉伸強度良好的ABS/PVC 合金[2]。DOP 作為增塑劑，有利于降低ABS 和PVC 分子鏈的聚集作用，提高復合材料的成型加工性能[3]。

基于前人的研究，本文研究一種可用FDM 技術直接打印微細砂輪的樹脂金剛石復合材料，利用分子動力學模擬的方法，觀察復合材料的分子構象，并比較不同配比的材料密度、內聚能密度、徑向分布函數、力學性能、相容性等，優選出共混體系的最佳配比。

1 計算模型

1.1 成分和比例

用于制造砂輪的樹脂金剛石復合材料由46.3～62.5wt%ABS、18.6～26.6wt%PVC、8.3～11.8wt%DOP 和10.6～15.3wt%金剛石磨粒組成，為了優選出共混體系的最佳成分配比，復合材料分5 個組別進行分子動力學模擬，如表1 所示。

表1 具有不同質量配比的樹脂金剛石復合材料

1.2 建立模型

利用Materials Studio 分子動力學模擬軟件，建立樹脂金剛石復合材料模型。首先，對各成分進行分子建模，在Amorphous Cell 模塊[4]中將各種成分共混得到初始晶胞[5]。然后利用Discover 模塊運行一次298K的NVT 分子動力學平衡，接著在493K，2Gpa 和483K，2Gpa 的條件下運行NPT 分子動力學平衡，得到結構致密的復合材料平衡晶胞[6]。

2 模擬討論

2.1 構象和密度

在分子動力學模擬中，不同配比的樹脂金剛石復合材料的初始晶胞密度均設為0.1 g/cm3，初始晶胞的ABS 分子鏈、PVC分子鏈、DOP 分子以及金剛石顆粒均比較分散，平衡過程中由于晶胞受壓體積變小，晶胞中ABS 分子鏈與PVC 分子鏈相互纏結，DOP 分子以其極性酯基-COO-嵌入分子鏈中，金剛石磨粒則被ABS 分子鏈和PVC 分子鏈纏繞。

經過NPT 平衡過后，配比1～配比5 的復合材料晶胞密度分別為1.36 g/cm3、1.34 g/cm3、1.33 g/cm3、1.31 g/cm3、1.30 g/cm3，晶胞密度依次變小。這是因為ABS 質量比逐漸提高，與之相互吸引的PVC 極性基團C-CL 的相對數量減少，兩者纏結率降低。另一方面，金剛石磨粒的密度最大，金剛石質量比的下降也會導致晶胞密度變小。

2.2 內聚能密度

在分子動力學模擬中，分子間作用力大小可用內聚能密度反映[7]。復合體系的內聚能密度越大，表示分子中所含基團的極性越大，極性基團的相互吸引作用就越強，分子間相互作用力就越大。圖1展示了不同配比的樹脂金剛石復合材料的內聚能密度，可以看出，配比1～配比5 的復合材料的內聚能密度依次升高，各組別的內聚能密度均大于400 J/cm3，說明材料具有較好的機械強度，分子間作用力由較強的氫鍵起作用。結果表明：提高ABS 的質量比，有利于氫鍵的形成，使得復合材料的分子間相互作用增強，分子內部緊密結合。

圖1 不同配比的復合材料內聚能密度

2.3 徑向分布函數

在分子動力學模擬中，徑向分布函數[8]可用于研究復合體系的分子間作用力表現形式，當其特征峰出現在2.6?～3.1? 區間時，分子間作用力主要是氫鍵；特征峰出現在3.1?～5? 區間時，分子間作用力為范德華力；特征峰出現在5? 以外時，則是靜電力起主要作用。

利用Materials Studio 軟件的Forcite 模塊將配比1～配比5 的金剛石磨粒的碳原子分別標記為A1、A2、A3、A4、A5，同組中其他所有原子分別標記為B1、B2、B3、B4、B5，金剛石磨粒的碳原子與其他原子的徑向分布函數如圖2 所示。結果表明，各組別在2.6?～3.1?區間和3.1?～5? 區間均未出現特征峰，說明不是氫鍵和范德華力起主要作用。5? 以外g（r）值逐漸增大，說明金剛石磨粒與其他分子通過靜電力相互吸引，配比5 的g（r）值最大，分子間靜電力最強。

2.4 機械性能

利用Forcite 模塊分析樹脂金剛石復合材料的力學性能，包括彈性模量(E)、剪切模量(K)、體積模量(G)、泊松比(v)和K/G 值。如圖3 所示，不同配比的復合材料彈性模量E 介于8.26 GPa～12.75 GPa 區間，相比于純ABS（E 約為2.2 GPa）和純PVC（E 約為3.5 GPa）均有所提高，泊松比介于0.26～0.37 區間，相比于純ABS(v 約為0.39)有所降低。從圖3 可看出，配比1、配比3 和配比5 的復合材料彈性模量E 較大，剛度和脆性較好。泊松比v 和K/G 值按配比1～配比5 的順序先減小后增加，說明柔性和延展性先減小后增加。這為ABS/PVC/DOP/金剛石磨粒復合體系的配比提供一個有價值的參考。

圖3 不同配比的復合材料機械性能

2.5 共混相容性

在ABS/PVC/DOP/金剛石磨粒復合體系中，其主要成分為ABS 和PVC，因此這兩種成分的共混相容性對復合材料的共混相容性起決定性作用。在ABS/PVC 體系中，有ABS-ABS、PVC-PVC、ABS-PVC 三種結合能，這三種結合能越接近，則體系的相容性越好。利用Blends 模塊在298K 模擬溫度下對5 種配比的ABS/PVC 體系進行共混相容性模擬試驗，從圖4可以看出，各個組別中ABS-ABS、PVCPVC、ABS-PVC 三條結合能曲線接近程度大小順序為：配比1>配比5>配比2>配比3>配比4。結果表明提高ABS 的質量比，ABS/PVC 體系的相容性先減小后增加。

圖4 不同配比的ABS/PVC 結合能曲線

3 結論

本文對5 種不同配比的ABS/PVC/DOP/金剛石磨粒復合材料進行分子動力學模擬，結果顯示：提高ABS 的質量比，復合材料分子間作用力逐漸增強，密度逐漸降低，延展性和柔性先減小后增加，ABS/PVC 體系的相容性先減小后增加。根據模擬結果，得到復合材料最佳配比為62.5wt%ABS、18.6wt%PVC、8.3wt%DOP 和10.6wt%金剛石磨粒，這對制備用FDM 技術直接打印微細砂輪的樹脂金剛石復合材料提供了一個重要的參考。