摘要
橡胶由于其独特的粘弹性成为国防、工业和日常用品中不可或缺的材料。然而，纯橡胶基体很难满足实际应用中对高性能橡胶材料的需求，因此常需加入填料进行补强或者功能化。填料的分散以及填料与基体间的界面相互作用是影响复合材料性能的关键性因素，且这两个因素强烈的依赖于填料表面的化学性质。因此可通过优化填料表面的化学结构来增强界面相互作用和促进填料的分散，从而提高复合材料的宏观性能。 本论文通过分子模拟方法首先定量研究了氧化石墨烯(GO)的氧化度对其在丁苯吡橡胶(VPR)基体中的分散性以及复合材料的界面相互作用和界面热传输性能的影响。随后制备出不同氧化度的GO及其复合材料进行实验分析来验证模拟结果，并分析GO的氧化度对复合材料力学和导热性能的影响。结合分子模拟与实验结果探索填料分散及界面微观特性对复合材料宏观性能的影响规律。主要的研究内容包括以下两部分: (1)通过分子动力学模拟(MD)计算出不同氧化度的GO和VPR基体的双组份溶解度参数，分析研究氧化度对GO与VPR基体相容性的影响。结果表明，随着氧化度的增加，GO与VPR的相容性先增加后减小，在氧化度为15％时相容性最佳。通过计算结合能、分子间氢键以及自由体积分数研究了GO的氧化度对复合体系界面相互作用的影响。结果表明，随着GO氧化度的增加，体系中分子间氢键数目逐渐增加，结合能也随之增大，导致橡胶分子链堆砌的更加紧密，自由体积分数逐渐减小。橡胶复合材料的界面层结构可通过计算距离填料表面不同距离处的VPR链段的均方位移曲线来鉴别分析。结果显示，随着GO氧化度的增加，界面相互作用增加，更多的VPR分子链吸附在GO表面形成厚的界面层。通过非平衡分子动力学模拟计算了声子振动功率谱以及界面热阻分析GO的氧化度对复合材料微观界面热传输性能的影响，结果表明增加GO的氧化度有利于降低界面处的声子散射和界面热阻。 (2)通过化学还原法制备了不同氧化度的GO及其复合材料。根据Fowkes模型计算了不同氧化度的GO以及VPR基体的表面能，分析了GO氧化度对复合材料的界面粘合以及填料在加工过程中再聚集现象的影响。结果表明，GO的氧化度越高，界面相互作用越强，而再聚集驱动力随着氧化度的增加先减小后略微增加，这与分子模拟中结合能和相容性分析的结论一致。虽然提高GO的氧化度有利于界面结合，但是根据热焓越变(△Cpn)以及损耗因子(tanδ)的结果可知，最高氧化度的GO/VPR复合材料界面层的质量份数并不是最大的，这是由于高氧化度GO较差的分散性降低了填料的有效比表面积导致的。适当氧化度的GO85e（氧化度为15.77％）试样在VPR基体中的分散性最好，表现出最佳的补强效果，VPR/GO85e复合材料相比于纯VPR基体的拉伸强度和模量分别提高了339.8％和237.8％。虽然增加GO的氧化度可减小复合材料界面处的声子散射和界面热阻，但是高氧化度的GO自身相对较低的热导率和较差的分散性，限制了复合材料热导率的增加，而VPR/GO85e复合材料表现出最佳的导热性能。
NETL