一种基于Kremer-Grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法与流程

本申请涉及聚合物材料领域，更具体地说，它涉及一种基于kremer-grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法。

背景技术：

1、聚合物基复合材料在芯片封装中有着十分广泛的应用，其中利用纳米粒子对聚合物进行改性是一种十分常用的策略，用以对聚合物的力学、热学与流变学等性能进行改善。由于纳米粒子与聚合物分子链存在各类相互作用，对聚合物性能的影响也不尽相同。因此，通过明确纳米粒子对聚合物材料的改性规律，从而合理选择纳米粒子的结构与尺寸，对于实现聚合物基复合材料的性能调控有着十分重要的意义。

2、针对实验研究成本高、周期长、污染较严重的问题，目前国内外基于计算机模拟的策略主要采用两种方法。一种是采用全原子或粗粒化模型，这类模型基于实际原子组成，适用于各类组成结构组成明确的材料，由于计算复杂度高，模拟时间相对较短；而另一类模型是珠簧模型，能够最大程度上把握聚合物材料的连接性本质，该方法计算效率高，且得出的结论具有更大的普适性，适用与多种组成的纳米复合材料。在玻璃化转变领域，其中重要的一类珠簧模型即kremer-grest模型。

技术实现思路

1、本公开提供了一种基于kremer-grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法，对各种不同尺寸与形状的纳米粒子模型进行构建，利用凸包策略获得每种纳米粒子的有效体积。在此基础上，构建了包含不同纳米粒子的聚合物复合材料体系，通过计算增加了纳米粒子影响的弦状协同运动长度计算方法，使得能够对纳米复合材料体系的玻璃化转变行为进行量化表征。整个体系的模拟过程使用hoomd程序实现，计算纳米粒子体积与弦状协同运动长度所用代码均利用c++与python独立编写实现。

2、第一方面，本公开提供一种基于kremer-grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法，采用如下技术方案进行计算机模拟研究：

3、(1)纳米粒子模型的建立；

4、(2)纳米粒子填充聚合物复合材料模型的建立；

5、(3)复合材料模型体系的分子动力学模拟；

6、(4)弦状协同运动长度计算。

7、优选的，所述步骤(1)中，具体的步骤为：

8、a1：单个纳米粒子模型的建立：纳米粒子由4-10个组成粒子构成，每个组成粒子均为均质球形粒子，不同形状的纳米粒子通过调整不同组成粒子的大小位置来获得；

9、a2：多个纳米粒子体系的建立：包含多个纳米粒子的模拟盒子通过packmol开源程序来构建；

10、a3：纳米粒子有效体积计算：采用凸包法计算纳米粒子的有效体积，纳米粒子由中心多面体、面位置的棱柱体、棱位置的扇形柱体与角位置的球面棱椎体组合而成，纳米粒子的有效体积等于各个组成部分体积的加和。

11、优选的，所述步骤(2)中，具体的步骤为：

12、b1：聚合物基体的构建：采用标准的kremer-grest模型，对不同链长与链刚性的聚合物进行模拟，其中包含非键相互作用，键连相互作用与键角相互作用三部分：

13、

14、非键相互作用采用截断的lennard-jones相互作用(或称wca相互作用)；

15、rc为21/6σ，键连相互作用使用有限伸展fene相互作用；

16、键角相互作用使用改进的相互作用；

17、b2：聚合物基复合材料模型的构建：在聚合物基体模型的基础上，利用自

18、

19、

20、uangle(r)＝-asin2(bθ)

21、己编写的程序将聚合物体系与多纳米粒子体系合并在一起，采用shift形式的lennard-jones作用势对体系进行弛，其中rc为21/6σ。

22、优选的，所述步骤b1中，

23、其中a设置为4.5ε，b的范围为[0,5]，数密度统一设置为0.85。首先利用lammps程序构建初始结构，采用了bond swap方法进行105数量级的预模拟。

24、优选的，所述步骤b1中，所述纳米粒子体系的构建采用packmol程序，按照预先设定的组成比例与模拟盒长，将纳米粒子均匀分散在盒子中，其中组成比例按照所述步骤(1)中的计算的纳米粒子有效体积来进行估算。

25、优选的，所述步骤(3)中，具体的步骤为：

26、

27、

28、整个体系的模拟过程采用朗之万动力学，其积分方程如下：

29、其中第一项是保守力；第二项是耗散力，γ是阻力系数，v是粒子速度；第三项是随机力，d是体系的维度。模拟通过gpu加速的hoomd软件实现，其中阻力系数选择0.5，时间步长为0.002，模拟总步长为109。

30、优选的，所述步骤(4)中，具体的步骤为：

31、衡量体系玻璃化转变的关键性质之一是弦状协同运动长度，在以往的研究中，该性质采用如下的计算策略来进行计算：

32、首先，选取体系所有粒子中运动最快的6.5％的粒子，然后再对于其中满足下列条件的粒子进行统计，

33、min[|ri(t)-rj(0)|,|rj(t)-ri(0)|]＜δ0

34、δ0＝0.55

35、由于体系中既包含聚合物基体，又包含纳米粒子，无法直接采用上述公式对弦状协同运动长度进行计算。

36、优选的，所述步骤(4)中，具体的步骤还包括：

37、一种针对体系中包含多种粒子的弦状协同运动长度新型计算策略，具体公式如下：

38、min[|ri(t)-rj(0)|,|rj(t)-ri(0)|]＜δ

39、

40、其中rpp/rnp分别为聚合物粒子-聚合物粒子/聚合物粒子-纳米粒子径向分布函数的第一个峰值对应的距离，该公式在纳米粒子与聚合物粒子等同时恢复为原始公式，从而保证了公式本身的自洽性。

41、综上所述，本申请具有以下有益效果：

42、1、本申请中利用凸包策略获得纳米粒子的有效体积，从而确定粒子在聚合物复合材料中的体积分数策略，利用粗粒化分子动力学对构建的结构进行模拟；

43、2、本申请中包含纳米粒子参与的协同运动弦状的确定方法，利用gpu加速实现高性能模拟；

44、3、本申请中各种不同形状纳米粒子的构建与有效体积确定策略，使得研究不同纳米粒子体积分数以及采用不同纳米粒子进行改性的纳米复合材料之间的精确比较成为可能；

45、4、本申请拓展了弦状协同运动的定义，使得利用kremer-grest模型研究更为宽泛的纳米复合材料成为可能，采用了gpu加速的高性能模拟策略，与以往基于cpu的模拟策略相比，大大提高了计算效率。

46、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开的保护范围。

技术特征：

1.一种基于kremer-grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法，其特征在于，采用如下技术方案进行计算机模拟研究：

2.根据权利要求1所述一种基于kremer-grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中，具体的步骤为：

3.根据权利要求1所述一种基于kremer-grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，具体的步骤为：

4.根据权利要求3所述一种基于kremer-grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法，其特征在于，所述步骤b1中，

5.根据权利要求1所述一种基于kremer-grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法，其特征在于，所述步骤b1中，所述纳米粒子体系的构建采用packmol程序，按照预先设定的组成比例与模拟盒长，将纳米粒子均匀分散在盒子中，其中组成比例按照所述步骤(1)中的计算的纳米粒子有效体积来进行估算。

6.根据权利要求1所述一种基于kremer-grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)中，具体的步骤为：

7.根据权利要求1所述一种基于kremer-grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)中，具体的步骤为：

8.根据权利要求1所述一种基于kremer-grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)中，具体的步骤还包括：

技术总结
本申请涉及聚合物材料领域技术领域，更具体地说，它涉及一种基于Kremer‑Grest模型的聚合物基纳米复合材料玻璃化转变性能模拟方法。采用如下技术方案进行计算机模拟研究：纳米粒子模型的建立；纳米粒子填充聚合物复合材料模型的建立；复合材料模型体系的分子动力学模拟；弦状协同运动长度计算。各种不同形状纳米粒子的构建与有效体积确定策略，使得研究不同纳米粒子体积分数以及采用不同纳米粒子进行改性的纳米复合材料之间的精确比较成为可能。

技术研发人员：王伟,鲁济豹,孙蓉
受保护的技术使用者：深圳先进电子材料国际创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21