引言

密封圈在工業(yè)化生產(chǎn)和使用過程中由于受到外界環(huán)境的影響使內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致其性能逐漸下降。開展各種環(huán)境條件下橡膠密封材料的老化研究，探究其老化失效機(jī)制，以期望開發(fā)出更優(yōu)的密封材料。當(dāng)前已知的影響老化的因素包含以下幾個(gè)因素：溫度、濕度、氧氣、氫氣、機(jī)械應(yīng)力、光照等。

橡膠老化的研究方法

當(dāng)前，用于研究橡膠老化的方法包含實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬。實(shí)驗(yàn)上通過拉伸試驗(yàn)機(jī)、老化試驗(yàn)機(jī)、示差掃描量熱儀等設(shè)備對材料老化前后的性能進(jìn)行檢測。然而老化是個(gè)緩慢的過程，即使有老化試驗(yàn)機(jī)的加持仍不能得到“完美的”模擬結(jié)果，并且實(shí)驗(yàn)需要消耗更多的時(shí)間、人力物力。并且實(shí)驗(yàn)方法難以從原子分子等微觀角度清晰完全地給出問題的理解和解決，理論模擬方法與實(shí)驗(yàn)方法的結(jié)合是研究密封圈老化問題的有力工具。

從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，自下而上地進(jìn)行設(shè)計(jì)，在多尺度的范疇上深入探討分子結(jié)構(gòu)與宏觀材料和產(chǎn)品性質(zhì)之間的關(guān)系，才可能自如地開發(fā)、制備和改進(jìn)材料、設(shè)備和流程。計(jì)算模擬有如下優(yōu)勢：

1.設(shè)計(jì)并快速鎖定候選物質(zhì)

• 設(shè)計(jì)候選物質(zhì)(如各種材料和藥物), 先于實(shí)驗(yàn)預(yù)測候選物質(zhì)性能

• 更快的鎖定候選物質(zhì)或者確切的物質(zhì)

2.降低實(shí)驗(yàn)量? 研發(fā)成本

• 部分代替實(shí)驗(yàn)合成、結(jié)構(gòu)分析、物性檢測降低實(shí)驗(yàn)成本

3.發(fā)展新的理論? 更好地指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)合成

• 更深層次理解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、探討過程機(jī)理

• 建立理論模型、發(fā)展新的理論

  
  

計(jì)算模擬用于老化研究的現(xiàn)狀

在許多物理學(xué)和工程領(lǐng)域，取得科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵在于能夠從原子或分子尺度理解并調(diào)控物質(zhì)的性質(zhì)。常用的計(jì)算方法包括：第一性原理、蒙特卡洛、分子動(dòng)力學(xué)等。分子力學(xué)方法，主要用于研究結(jié)構(gòu)化學(xué)，它在有機(jī)以及生物化學(xué)，藥物高分子等方面也被頻繁應(yīng)用。分子力學(xué)方法的核心是力場函數(shù)，通過函數(shù)的計(jì)算可以準(zhǔn)確 得出鍵長和鍵角。近年來，結(jié)合核磁共振分析技術(shù)（1H-NMR）的發(fā)展與生物大分子技術(shù)的進(jìn)步，分子力學(xué)方法在高分子材料研究的領(lǐng)域逐漸受到青睞。在橡膠老化研究中應(yīng)用最多的方法是分子動(dòng)力學(xué)。

(1)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度
密封橡膠要在高溫、常溫、低溫范圍內(nèi)使用，使用時(shí)必須處于高彈態(tài)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是指由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)所對應(yīng)的溫度。因此玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越低，材料耐低溫性能越好。否則在室溫下材料就處于塑料狀態(tài)了。

(2)熱解溫度

通過計(jì)算熱解溫度可以判斷材料的耐高溫性能。通過反應(yīng)力場可以得到結(jié)構(gòu)在特定環(huán)境中分子鍵及產(chǎn)物的變化。? ? ?

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(3)均方回轉(zhuǎn)半徑

均方回轉(zhuǎn)半徑用于描述體系隨溫度或壓力變化之后應(yīng)力松弛的變化。受溫度壓力影響越小，抗老性能越好。

(4)氣體分子遷移率

介質(zhì)通過密封材料內(nèi)部組織滲透擴(kuò)散，造成密封橡膠的損傷與密封件的失效。因此擴(kuò)散系數(shù)是表征密封介質(zhì)與密封材料間相互作用特征的重要物性參數(shù)。但確定擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)對設(shè)備及測定技術(shù)要求高，因此可以利用MD的方法通過計(jì)算MSD計(jì)算出介質(zhì)在材料中的遷移率。

利用MatCloud+估計(jì)分析功能得到MSD

總結(jié)
近年來，計(jì)算模擬在材料研發(fā)中起到了非常大的作用。利用計(jì)算模擬從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，自下而上地進(jìn)行設(shè)計(jì)，在多尺度的范疇上深入探討分子結(jié)構(gòu)與宏觀材料和產(chǎn)品性質(zhì)之間的關(guān)系，才可能自如地開發(fā)、制備和改進(jìn)材料、設(shè)備和流程。