动态周期加载下橡胶基体中填料网络结构的演化与力学性能关系的模拟与实验研究

In this project, we focus on two kinds of rubber matrix such as natural rubber and styrene-butadiene rubber, four kinds of nano-sized filler such as carbon black, silica, carbon nanotube and graphene. We adopt molecular dynamics simulation to characterize the filler network structure and its evolution under dynamic tension and dynamic shear, including the filler aggregate size and its distribution, the mass and surface fractal dimension of the filler aggregate, the filler network density and its distribution, filler-filler total interaction energy, filler-rubber total interaction energy, the chain dimension. Meanwhile, we adopt the synchrotron radiation x-ray scattering technique to in-situ monitor the filler network evolution, and then compare with some of the above simulated results to validate the accuracy of our simulation. On the basis of this, we further simulate the change of the modulus and stress-strain curve under the dynamic deformation. Through this project, we aim to construct the in-situ characterization method of the evolution of the filler network of rubber composite, and comprehensively establish the relationship among the component of rubber composite, the filler network evolution and the mechanical property. These results could help us to put forward some design and preparation rules for the optimized material component and the filler network tailored for rubber composite with long service life, high safety and good durability.

本项目中我们针对两种橡胶基体(天然橡胶与丁苯橡胶)、四种纳米填料(炭黑、白炭黑、碳纳米管与石墨烯)，采用分子动力学模拟对填料网络结构及其在动态拉伸与动态剪切过程中的演化进行表征，包括填料聚结体的尺寸与分布、填料聚结体质量分形维度与表面分形维度、填料网络的密度与分布、填料-填料总的相互作用能、填料-橡胶总的相互作用能、分子链尺寸，同时采用同步辐射X射线散射技术原位追踪填料网络结构的演化，并与部分模拟结果进行对比，验证模拟的准确性。在此基础上，进一步模拟橡胶复合材料在动态变形过程中模量与应力应变的变化。通过本项目，我们将建立起原位表征橡胶复合材料中填料网络结构演化的方法，并全面建立橡胶复合材料组成、填料网络结构演化与力学性能三者之间的关联，进而提出长寿命、高安全性与耐久性橡胶复合材料所需的最佳材料组成和填料网络结构等设计与制备准则。

由于橡胶制品经常在动态载荷下使用，在使用过程中填料网络结构会不断发生演化，表现在填料聚结体的破坏与生成、分子链在填料表面的脱附与再吸附、分子链滑移、取向、断裂与松弛。这些微观结构的破坏与重构会不断降低橡胶复合材料的力学性能，最终导致橡胶制品力学性能的快速衰减甚至制品的破坏。本项目中我们针对橡胶基体、纳米填料（炭黑、白炭黑与片层石墨烯），采用分子动力学模拟对填料网络结构及其在动态拉伸与动态剪切过程中的演化进行了表征，包括填料聚结体的尺寸与分布、填料聚结体质量分形维度与表面分形维度、填料网络的密度与分布、填料-填料总的相互作用能、填料-橡胶总的相互作用能、分子链尺寸，同时采用同步辐射X射线散射技术原位追踪填料网络结构的演化，并与部分模拟结果进行对比，验证模拟的准确性。在此基础上，进一步模拟橡胶复合材料在动态变形过程中填料网络演变与应力应变的关系。通过本项目，我们建立了原位表征橡胶复合材料中填料网络结构演化的方法，并建立了橡胶复合材料组成、填料网络结构演化与力学性能之间的关联，进而为制备具有长寿命、高安全性与耐久性橡胶复合材料所需的最佳材料组成和填料网络结构设计提供理论指导。