为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划二维纳米材料二维纳米级聚合物领域的有限元分析摘要：在研究二维纳米级聚合物的有限元方法的两种类型是化学键的因素和兰纳-琼斯势能函数的因素，而这两种因素构成了原子间和分子间的力场基础。纳米尺度的有限元方法可以用来模拟高分子的运动状况。这个数值过程包括三个步骤。首先要创造一个非晶格的随机运动同时伴随一个弛豫过程的聚合物邻域场。然后在这个邻域中形成有限元网格，化学键是由化学键建模的元素。如果两个非成键原子和单体之间的距离短于兰纳-琼斯吸引或者排斥的作用范围，那么它们之间就要加一个兰纳-琼斯势能因子。最终，外部载荷和边界条件的应用可以将高分子链变形过程逐步模拟出来。在绝活物变形过程中，要将不合理的兰纳-琼斯因子剔除，而新形成的兰纳-琼斯因子在每一步中被插入到聚合物邻域中。进一步,在整个变形过程中观察到聚合物链迁移,纳米级孔隙,孔隙聚结和裂纹的产生过程。1.引言在目前研究纳米结构的分析方法中，分子动力学是最受欢迎的方法之一。它被用于计算聚合物、纳米管和纳米管增强聚合物的模量和强度。运用分子动力学，对温度引起的高频分子热振动和静态变形的模拟可以同时进行。然而，分子热振动的频率范围在1015数量级。分子动力学的模拟可能仅仅提供发生在规模过快的变形过程。因此，相应的应变速率会比实际工程实践的数值要大的多。蒙特卡罗模拟是被用来研究纳米级聚合物变形的另一种方法，这种方法基于统计力学的角度。变形是指材料在受到外界压力时材料表现出的一系列应变增量的现象。压力是一个表达势能和温度的函数。实际上，每一个应变增量都会涉及到Metropolis能量最小周期。已有前人研究发现，当他们使用蒙特卡罗方法模拟非晶态聚合物的变形时，由于过程的收敛速度太慢,他们只能获取短暂时间尺度的变形信息。实验的应变率范围是108到109/s，与分子动力学的数值相近。对于大多数工程应用,在较大的温度范围内材料的模保持为恒定的常数。这就意味着分子热运动的运动频率不是弹性变形的主要因素。那么问题就来了：从一个分子计算模拟模型的高频率热力学振动中有可能得到材料的弹性形变响应么？1986年时，Theodorous和Suter提出了一个详细的关于研究分子振动对玻璃态聚丙烯弹性常数贡献的理论。他们得到了这样的结论，在高频率分子热振动中只有一个是可以忽略不计的贡献。他们建立了一个为研究非晶态聚合物的多维数据集的平衡原子场。每一个原子都被分配了一个基于均匀应变假设的微小初始位移。因为分配的原子场不是一个平衡场，所以会存在一个能量最小化的过程。模量是材料应对变化过程中由势能衍生出来的一个量。相比于使用分子动力学方法以及蒙特卡罗方法，这个方法节省了大量的计算过程和计算量；然而，它存在一定的局限性：确定复杂形状材料的原子场域的初始位移以及确定复杂的负荷任然是一个困难的障碍所在。而有限元方法是一种高效能、常用的计算方法。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。自从1969年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。有限元法的基本思想：由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。在本文中纳米级的有限元模型是基于前人基础后有所发展的方法。首先，要建立纳米元素的刚度矩阵，然后使用该模型来模拟变形和计算高分子领域的应力-应变曲线。在整个变形的聚合物中，高分子链的迁移和纳米级孔隙和裂纹的产生是观察到的。这种新方法可以在分子运动模型中对从静态分子位移从超高频率的热振动过程进行去耦合操作。高应变率的问题-不可避免的分子动力学模拟可以因此消除掉。它的作用效率可以跟Theodorous和Suter的方法差不多。并且，方法的用法并不局限于材料的形状等条件的制约。2.制定二维纳米级有限元原子力场原子力场的核心是原子力学。原子力场来源于势能，并与变形的化学键合分子间作用力相互影响。原子力场的设置是整个模拟计算过程的基础条件。化学键大部分材料的局部几何化学键的信息可以被定义为键长r，键角?以及二面角，正如图1所示。化学键的变形包括键的延伸，键角的弯曲以及二面角的扭转。有时候还需要加一些附加条件来表示分子结构和分子的变形过程。在二维数值模型中，只需要对键的延伸与键角的弯曲进行讨论。势能的最简单的表达式与键延伸谐波函数相关。键延伸的谐波函数提出了键的伸长或者缩短与恢复力之间的线性关系。这个势能的表达式如下所示：这里r0是两个原子之间的初始距离而kr是键的刚性程度。从而恢复力与键延伸之间的关系可以推出如下关系式：表达势能的另一种改进形式是莫尔斯势能表达式，可以这么来表达：总结上述的各个式子，键长增长与恢复力之间的关系可以用下列式子表示：图2表示的是来源于莫尔斯势能的力与位移之间的关系。这是一条非线性的曲线。键额刚性程度kr是这条曲线的斜率，从这个可以体现出键的长度的变化情况。如果键长的增长比较小，恢复力-键场增加的曲线大约呈线性变化。在处理谐波势能与莫尔斯势能关系是，如果键的应变很小也可以得到类似的结论。随着键的应变的扩大，莫尔斯势能就会变得越加的准确。莫尔斯势能的表达式最初是由量子力学推导而来的，但是反过来它有成了支持量子力学的一个例证。谐波势能通常能够用来描述分子力学中两个临近化学键的交互作用。它提供了回复过程中弯矩和弯曲角度之间的关系。正如下面式子给出的关系：在上式中?0是平衡键角。弯矩和弯曲角度的关系可以写成如下关系式：分子间相互作用兰纳-琼斯势能函数被用于描述两个原子或者单体之间不以化学键结合的相互作用关系。兰纳-琼斯势能函数可以被描述为如下方程：在此处表示势阱的深度，表示在零势能距离时两个非键合的原子或者单体之间的距离。两个非键合的原子或者单体之间的兰纳-琼斯势能力可以表示为：二维纳米尺度下的高聚物场的有限元模型有限元模型的设立考虑了两种类型的影响因子：包括化学键因子和兰纳-琼二维纳米结构纳米薄膜摘要：纳米材料是20世纪末诞生且快速发展起来的前沿科学领域，由于纳米材料体系具有许多独特的性质和广阔的应用前景，而且涉及到物理学、化学、材料等多种学科，在理论和生活中具有极大地研究价值。因而成为材料科学、化学、物理学等学科研究的热点之一。近年来，随着纳米技术的发展，人们越来越希望将获得纳米材料有序可控的排列起来，以满足纳米材料在光学、电子、生物等不同科技领域中的应用。尤其是功能性的纳米薄膜材料。面我将对纳米材料中的二维纳米材料纳米薄膜谈进行介绍，以及发表一下自己的见解。关键字：纳米薄膜，含义，制备方法，LB膜，性能，应用。正文;一、纳米薄膜的含义：纳米薄膜是指有尺寸在纳米量级的晶粒构成的薄膜，或将纳米晶粒镶嵌于某种薄膜中构成的复合物，以及每层厚度在纳米量级的单层货多层膜，有时也称为纳米晶粒薄膜或纳米多成膜。纳米薄膜的分类有很多种，例如，按结构、按用途、按层数划分。下面以用途划分为例来介绍纳米薄膜的种类。纳米薄膜按用途分类可分为纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。前者主要利用纳米粒子所具有的光、电、磁方面的特性，通过复合使新材料具有基体所不具备的特殊功能；后者主要是通过纳米粒子复合，提高材料在机械方面的性能。由于纳米技术的组成、性能、工艺条件等参数的变化都对复合薄膜的特性有显著影响，因此可以在较多自由度下，人为的控制纳米复合薄膜的特性，获得满足一定需要的材料。二、纳米薄膜的制备方法纳米薄膜的制备方法按原理可分为物理方法、化学方法、分子组装法。粒子束溅射沉积和磁控溅射沉积，以及新近出现的低能団蔟束沉积属于物理方法；化学气相沉积溶胶凝胶法和电沉淀法属于化学方法；LB膜技术和SA膜技术属于分子组装法。下面以分子组装法的LB薄膜技术为例来介绍纳米薄膜。没过科学家Langmuir于1917年发表了一篇论文中系统地研究了气-液界面膜，测定比较了众多化合物的分子面积和膜厚，证实了该界面膜的厚度相当于一个分子的长度。20世纪30年代，他的学生罗杰特首次将长链羧酸单层膜转移到固态基片上形成了多成膜，即LB膜，实现了分子的超薄有序组装。LB膜技术就是先将双亲分子在水面上形成有序的紧密单分子薄膜，再利用端基的亲水、疏水作用将单成膜转移到固体基片上。由于基片与分子之间的吸附作用，单分子层就沉积在固体基片上。如果固体基片反复的进出水面就可以形成多层膜。LB膜随着转移的方式不同，可得到三种不同的结构，即X型、Y型、Z型。X型LB膜在一次次拉出时只有单分子层德疏水部分和基片接触而形成的，其结构是“基片尾头尾头”结构，即单分子层都按亲水基朝向空气的方式排列。Z型LB膜与X型相反它是在一次次拉出时只有单分子层的亲水部分连接到基片上面形成的。其结构是基片头尾头尾“结构，即各单分子层均按疏水基朝向空气的方式排列。Y型LB膜是罪普遍的排列，也是最容易得到的。它是在侵入和拉出时均有单分子层沉积在基片上而形成的。即两分子按头对头、尾对尾的方式组合。Z型和X型膜都是以单分子层尾单位的层状结构，不如Y型膜稳定，并有可能转变为Y型结构，例如，在脂肪酸盐LB膜的沉积过程中，存在由X型向Y型沉积的转变，加快沉积速度和增大亚相离子浓度可防止这种转变。LB膜的制备是将悬浮液在气液界面的单分子膜转移到基体表面。最常用的方法是垂直提拉法，此外还有，水平提拉发，亚相降低法、扩散吸附法和接触法也偶有使用。因此，在这里着重介绍垂直提拉法。垂直提拉法是有Langmuir和Blodgett创立的，步骤是将基片垂直插入覆盖有单分子膜的水面，然后提出，从而将打蜜蜂们自摸转移到基片上。采用垂直提拉法可以制备数层甚至几百层的LB膜。a,基片采用垂直提拉法，常用的基片有石英玻璃、硅片、CaF2平、云母片、ITO导电玻璃、盖玻片、不锈钢片、半导体片和铂金等金属片。基片表面的物理化学性质可能影响LB膜的结构和性质，因此，基片常常要进行处理后才能用于LB膜的沉积，对不同的基片，甚至同一基片也有不同的处理方法。b,转移比转移比也成沉积比，是指在一定表面下，LB膜的转移过程中气液界面单分子膜面积的减小值与转移至基片上的膜面积之比。转移比在之外时，表明所沉积的LB膜的均匀性不是很好。但在计算转移比时，必须考虑单分子膜在转移过程中，其自组装所引起的膜面积减小和石英基片的边面积所消耗的单分子膜。对与不对称的基片，如单面镀有金属膜的玻璃，还应注意到基片两边的转移比不一样。c,提膜速度基片表面第一层的沉积对于制得完好的LB膜极为重要，因此，第一层的拉膜速度要慢，以后各层可适当加快速度。沉积的层数越多，多试验操作的要求越严格。实验表明，在仔细操作条件下，沉积几十层乃至数百层LB膜是完全可能的。三、纳米薄膜的性能纳米薄膜由于组成的特殊性，因此其性能也有一些不同于常规材料的特殊性能，尤其是超模量、超硬度效应成为近年来薄膜研究的热点。因此就纳米薄膜材料的力学性能研究较多的多层膜硬度、任性、耐磨性等介绍。纳米多层膜的硬度与材料系统的组分、各组分的相对含量以及薄膜的调制波长有着密切的关系。纳米多层薄膜的硬度对于材料系统的成分有较强烈的依赖性，在某些系统中出现了超硬度效应。多层膜结构可以提高材料的韧性，其增韧机制主要是裂纹尖端钝化。裂纹分支、层片拔出以及沿界面开裂等。在纳米多层膜中也存在类似的增韧机制。影响韧性的因