时间步长对天然橡胶热导率分子动力学模拟结果的影响 何燕.docVIP

中国工程热物理学会 热传导 学术会议论文 编号：143170 时间步长对天然橡胶热导率分子动力学模拟结果的影响 何燕，宋云鹏，唐元政 （青岛科技大学；机电工程学院，山东 青岛 266061） （联系电话E－mail@163.com） 摘要 本文以不同时间步长对天然橡胶热导率分子动力学模拟结果的影响为研究内容。采用平衡态分子动力学方法，计算了热流自相关函数，得到了在不同时间步长下天然橡胶热导率的收敛结果，并对得到的结果进行分析比较。结果表明，在时间步长低于0.1fs时，导热系数结果稳定在0.35W/mK左右，接近实验结果。当选择的时间步长大于0.1fs后，随时间步长选择越来越大，导热系数结果也越来越大，结算结果失去准确性。 关键词 天然橡胶; 时间步长; 热导率; 分子动力学 0 前言： 分子模拟过程中的时间常数包括两个，积分时间步长和积分时间步数。积分时间步长是指牛顿运动方程执行相邻两次积分的时间间隔；积分时间步数是指从模拟开始到模拟结束的时间步长总数；两个时间常数的乘积就是计算机模拟计算的时间范围。时间常数的选择能够很大程度上影响分子动力学模拟结果的准确性，所以说时间步长的选取对分子动力学方法的准确模拟非常重要。较长的时间步长会因为对原子间相互作用等的忽略给出错误的结果，较短的时间步长会耗费时间。一般来说，时间步长应该设为分子运动的最小振动周期的1/10 左右为宜。在化学分子中振动周期最短的是碳氢键的伸缩振动，其特征振动频率大约是3000cm-1，其振动周期大约是10fs。所以通常的分子动力学时间步长最高不能高于1fs。 天然橡胶常温下密度约为0.92g/cm3，但是若将温度降至10℃以下，橡胶会产生高分子结晶而密度上升[1]。热学性质方面，热传导系数大约是0.2(W/mK)[2]；机械性质方面，天然橡胶在拉伸试验过程中会产生大量弹性应变以及若干不可恢复的塑性应变[3] 。橡胶具有广泛用途，例如日常生活中使用的雨鞋、暖水袋、松紧带；工业上使用的传送带、运输带、耐酸和耐碱手套；国防上使用的飞机、坦克、大炮；甚至连火箭和宇宙飞船等高精尖科学技术产品都离不开天然橡胶[4]。目前随着科技发展以及国家提倡环保、节能等环境意识的增强，普通橡胶材料已不能满足使用要求[5-6]。因而目前对橡胶的研究，需要同时考虑橡胶材料的导热性能和力学性能两个主要方面。 本文以不同时间步长对天然橡胶热导率分子动力学模拟结果影响为研究内容，采用平衡态分子动力学方法（Equilibrium Molecular Dynamics, EMD）LAMMPS[9]软件。 1 理论模型及热导率计算 天然橡胶分子结构的模型建立是由Materials Studio 软件[10]完成的。原子模型包含924个原子，体积为20×20×20 ?3，密度ρ=0.92g/cm3，如下图1所示。 图1 天然橡胶模型 Fig.1 Nature rubber modal 本文采用平衡态分子动力学方法（EMD）模拟天然橡胶热导率。碳-氢原子间势能选用目前广为应用的AIREBO（Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order） （1） 热浴采用Nose-Hoover温控机制，三个方向都采用周期性边界条件，对于运动方程的求解则采用Verlet积分方法。 区域温度T由Boltzmann能量均分定理给出，这个温度是统计意义的温度，即系统中所有原子的平均动能， （2） EMD方法通过模拟系统的平衡态计算导热系数，可由基于线性响应理论（Linear Response Theory）的Green-Kubo关系式[11-13]给出导热系数的计算公式： （3） 上式中，为导热系数；为模拟系统体积；为Boltzmann常数，J/K；为模拟温度；为时间；为天然橡胶的热流自相关函数（Heat Current Autocorrelation Function, HCACF）。 0.025fs、0.05fs、0.075fs、0.1fs、0.2fs、0.3fs、0.4fs、0.5fs、0.6fs、0.7fs、0.8fs