高分子力學
關注創建者：ncwolf 創建時間：2020-06-19
高分子力學的實例教程
塑料的物理、力學性能與溫度密切相關，溫度變化時塑料的受力行為發生變化，呈現出不同的物理狀態，表現出分階段的力學性能特點。塑料在受熱時的物理狀態和力學性能對塑料的成型加工有著非常重要的意義。
塑料的熱力學性能
塑料在不同的溫度下所表現出來的分子熱運動特征稱為聚合物的物理狀態。
熱塑性塑料的物理狀態分為玻璃態（結晶型聚合物亦稱結晶態）、高彈態和粘流態。圖1所示為線型無定形聚合物受恒定壓力時變形程度與溫度關系的曲線，也稱熱力學曲線。
1） 玻璃態
塑料在溫度Tg以下的狀態是堅硬的固體，稱之處于玻璃態，它是大多數塑件的使用狀態。處于此狀態的塑料，在外力作用下分子鏈只能發生很小的彈性變形并且彈性變形服從胡克定律。
Tg稱為玻璃化溫度，是聚合物從玻璃態轉變為高彈態（或高彈態轉變為玻璃態）的臨界溫度，是多數塑料使用的上限溫度，也是合理選擇塑料的重要參數。
聚合物在Tg以下還存在一個脆化溫度Tx，聚合物在此溫度下受力很容易斷裂，所以Tx是塑料使用的下限溫度。Tx~Tg的范圍越寬，表明塑料的使用溫度范圍越寬廣。
2） 高彈態
當塑料受熱溫度超過Tf時，由于聚合物的鏈段運動，塑料進入高彈態。處于這一狀態的塑料類似橡膠狀態的彈性體，其形變能力顯著增大，但仍具有可逆的形變性質。
3） 粘流態
當塑料受熱溫度超過Tf時，由于分子鏈的整體運動，塑料開始有明顯的流動，塑料開始進入粘流態變成粘流液體，通常也稱之為熔體。
展開 塑料的物理、力學性能與溫度密切相關，溫度變化時塑料的受力行為發生變化，呈現出不同的物理狀態，表現出分階段的力學性能特點。塑料在受熱時的物理狀態和力學性能對塑料的成型加工有著非常重要的意義。
塑料的熱力學性能
塑料在不同的溫度下所表現出來的分子熱運動特征稱為聚合物的物理狀態。
熱塑性塑料的物理狀態分為玻璃態(結晶型聚合物亦稱結晶態)、高彈態和粘流態。圖1所示為線型無定形聚合物受恒定壓力時變形程度與溫度關系的曲線，也稱熱力學曲線。
1） 玻璃態
塑料在溫度Tg以下的狀態是堅硬的固體，稱之處于玻璃態，它是大多數塑件的使用狀態。處于此狀態的塑料，在外力作用下分子鏈只能發生很小的彈性變形并且彈性變形服從胡克定律。
Tg稱為玻璃化溫度，是聚合物從玻璃態轉變為高彈態(或高彈態轉變為玻璃態)的臨界溫度，是多數塑料使用的上限溫度，也是合理選擇塑料的重要參數。
聚合物在Tg以下還存在一個脆化溫度Tx，聚合物在此溫度下受力很容易斷裂，所以Tx是塑料使用的下限溫度。Tx~Tg的范圍越寬，表明塑料的使用溫度范圍越寬廣。
2） 高彈態
當塑料受熱溫度超過Tf時，由于聚合物的鏈段運動，塑料進入高彈態。處于這一狀態的塑料類似橡膠狀態的彈性體，其形變能力顯著增大，但仍具有可逆的形變性質。
3） 粘流態
當塑料受熱溫度超過Tf時，由于分子鏈的整體運動，塑料開始有明顯的流動，塑料開始進入粘流態變成粘流液體，通常也稱之為熔體。在這種狀態下，塑料熔體在不太大的外力作用下就能引起宏觀流動，此時形變主要是不可逆的塑性形變，一經成型和冷卻后，其形變會永遠保持下來。
Tf稱為粘流溫度，是聚合物從高彈態轉變為粘流態(或從粘流態轉變為高彈態)的臨界溫度。當塑料繼續加熱至溫度Td時，聚合物開始分解變色。
展開 目前工程材料的工作環境往往涉及到爆炸、高速沖擊、切削、高溫、高應變率等極端條件，此時材料的動態力學性能是人們非常關心的一個重要問題。這類載荷作用時間一般較短(微秒乃至納秒)、沖擊強度高,足以引起大變形乃至破壞，所以研究材料在沖擊載荷作用下的力學性能具有重要的工程意義。
一般情況下材料的準靜態的應變率在10-5~10-2 s-1之間，其動態沖擊的高應變率往往在102 ~104 s-1之間，甚至會達到106 s-1(應變率即應變變化的速率，指單位時間產生的應變)。一般材料在準靜態和沖擊載荷下的力學性能存在著較大的差異，即應變率相關性，隨著應變率的增加，慣性效應與研究對象的物理性能（應變率效應）分離開來。下表為各種加載方式所能滿足的加載應變率范圍以及對應力波的影響。
目前，在高應變率沖擊測試中，人們普遍使用的是Hopkinson(霍普金森)桿，霍普金森裝置，英文簡稱 SHP(T)B，應變率范圍 102～104。
SHPB實驗裝置圖
SHPB 實驗的基本原理建立在二個基本假定的基礎上，即一維假定(又稱平面假定)和應力均勻假定。一維假定認為應力波在細長桿的傳播過程中，彈性桿中的每個橫截面始終保持為平面狀態；應力均勻假定認為應力波在試件中反復 2～3個來回，試件中的應力處處相等。由此可利用一維應力式中 C0、A、E、A0、L 分別為彈性桿的波速、橫截面積、彈性模量、試件的橫截面積及原始長度．由此得到試件的動態應力、應變、應變率隨時間變化趨勢，進而在時間尺度上得出三者之間的對應關系。
展開 作者制備并對比了幾種同樣帶開口，但有著不同的纖維排列的液晶高分子層壓板。在下圖a/b中可以看到，在開口附近引入了精確打印的纖維以適配拉伸過程中開口處的應力，可顯著提升樣品的力學性能（比各向同性的高分子高出30-55倍）。這說明，纖維的結構可以根據具體特定的受力情況進行設計。液晶高分子打印線和部件的比剛度、比強度和抗震性能優于現有打印高分子，接近碳纖維增強高分子材料（下圖c）。進一步的，作者打印出了極度復雜同時有優異力學性能的結構（下圖d/e）。
3D打印液晶高分子的力學性能以及負責結構模型。圖片來源：Nature
作者還證明這種材料可回收再利用。考慮到對于打印而言，黏度（流動性）是非常關鍵的參數，作者測試了原始的和回收的材料熔融后的流動性。結果表明，對于未經熱退火的回收樣品，流動性并未發生顯著變化。經過熱退火的回收樣品在熔融后流動性大大下降，不過作者猜想，可以通過適當的水解使得分子量下降，從而降低這些的樣品的黏度，提高加工性能。可回收的特性讓這種3D打印的液晶高分子材料相比于傳統的纖維增強高分子材料更具競爭力。
3D打印液晶高分子材料具備循環利用的可能性。圖片來源：Nature
綜上，作者注意到熱致液晶高分子在3D打印擠出過程中的取向以及所形成的獨特核殼結構，由此得到具有優異力學性能的纖維，力學性能比目前最先進的3D打印高分子材料要高出一個數量級。在單個纖維水平上細致地研究了不同打印條件對3D打印出纖維力學性能的影響后，作者深入研究復合纖維的力學性能，并挖掘液晶取向和3D打印結合所帶來的對局部力學性能的精確控制。這一成果將3D打印“自上而下”的自由成形能力與液晶高分子“自下而上”分子取向控制相結合，帶來了無數新的可能。
展開 近日，南方科技大學機械與能源工程系副教授葛锜團隊和西北工業大學副教授張彪團隊在Advanced Materials合作發表論文，報道一種用于光固化4D打印的超高力學性能形狀記憶高分子材料。這種新材料在橡膠態斷裂應變超過1240%，在150%-250%的應變區間可以重復加載超10000次。此外，其優異的光聚合性能使其成為數字光處理（Digital Light Processing - DLP）4D打印的理想材料，最高打印精度2微米，在智能家居、航空航天和軟體機器人領域應用潛力非常大。該項研究被Advanced Materials后內封面重點報道。
論文鏈接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202101298
4D打印是一種新興的制造技術，它能夠使打印出來的三維結構的形狀在外界環境刺激下隨時間變化。與用于4D打印的其他主動軟材料（Soft Active Materials -SAMs）料相比，形狀記憶高分子（Shape Memory Polymers - SMPs）具有更高的剛度，并且能與各種3D打印技術兼容。關注材料科學與工程公眾號，接收更多專業資訊。其中，采用DLP 3D打印技術打印可光固化SMP，可以制造具有復雜幾何形狀和高分辨率的4D打印結構。然而，現有可光固化SMP在力學性能方面具有局限性（伸長率偏低、抗疲勞性能差等），這極大地限制了它們的應用范圍。因此，亟需發展可承受大變形且具備抗疲勞能力的光固化SMP，以滿足工程應用中對4D打印智能材料力學性能的高要求。
圖 1.
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高分子材料問世至今僅有一百多年的歷史，但其發展速度之快及應用范圍之廣，使它和鋼鐵、木材、水泥一起構成現代社會的四大基礎材料。與其它材料相比，高分子材料具有非常優良的成型加工性能和機械強度，這與其特殊的結構、分子量大小和分子量的差異程度（分子量分布）有著非常密切的關系。
因此，掌握平均分子量和分子量分布等信息，對于高分子材料的研究、開發、制備以及生產工藝管理和品質把控等方面至關重要。
摘要
傅里葉顯微鏡廣泛應用于單分子成像、表面等離子體觀察、光子晶體成像等領域，它使得直接觀測空間頻率分布成為可能。
單分子的成像質量取決于高NA 傅里葉顯微鏡系統，例如，在復雜透鏡系統中，每個光學界面的角度相關的菲涅耳損耗和孔徑的衍射。VirtualLab Fusion可以在考慮菲涅耳損耗和孔徑衍射效應的情況下對整個系統進行建模。文中給出了一個案例，并與文獻中的實驗結果進行了比較
<p>透射電子顯微鏡(縮寫TEM)，簡稱透射電鏡，是把經加速和聚集的電子東投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件(如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件)上顯示出來。由于電子的德布羅意波長非常短，透射電子顯微鏡的分辨率比光學顯微鏡高的很多，可以達到0.1~0.2nm，放大倍數為幾萬
高熵合金作為一類新型多主元合金，因其獨特的成分設計理念而表現出優異的力學性能，如高強度、高硬度、良好的耐腐蝕性以及出色的抗疲勞性能。與傳統合金相比，在循環載荷下展現出獨特的位錯運動行為和損傷累積機制，為開發新型抗疲勞材料提供了廣闊的研究空間。疲勞失效是工程結構件的主要破壞形式之一，通常由循環應力（如正弦波載荷）作用下的微觀缺陷（如位錯聚集、裂紋萌生與擴展）逐漸累積所致。分子動力學（MD）模擬能夠在原子尺度揭示高熵合金在循環載荷下的微觀過程
在射出成型的過程中，將塑料填入模穴中是首要的關鍵步驟。基本上，這是一個與流動波前有關的三維瞬時問題，非牛頓流體流動及許多參數如熱傳導的問題都牽涉于其中。一般來說，若是設計未臻完美或是用了不適當的材料或制程條件，都造成產品經充填的過程中出現許多缺陷。
充填程序之示意圖
正常來說，充填過程中的熔膠都傾向往有最小阻力的區域前進。若熔融的高分子在模穴中某個區域行進的特別快，就表示此處對熔膠有著較低的阻力
在高分子材料的廣闊領域中，PVT 曲線作為一種關鍵的研究工具，正逐漸展現出其不可忽視的重要性。PVT 曲線，即聚合物材料的壓力（Pressure）、體積（Volume）和溫度（Temperature）之間的關系曲線，它如同一個微觀世界的解碼器，為我們揭示了高分子材料在不同條件下的物理行為奧秘，對高分子材料的研發、加工以及產品質量控制都起著舉足輕重的作用。
一
高分子材料的獨特 “指紋
模具設計者和開發者在高分子射出成型加工制程上，經常遭遇結合線、流紋、凹痕等缺陷，或是加纖塑料件的表面浮纖等成型問題。一般來說，這些問題可藉由提高模具溫度獲得改善，然而，提高模具溫度會導致成型周期時間延長。因此，業界開始應用一項新的成型加工技術-快速模具溫度加熱冷卻成型技(Variotherm)，藉由模具溫度的快速切換，換取制程不同階段所需的溫度。快速模具溫度加熱冷卻成型技術在充填階段迅速提高模具表面溫度
1.摘要
傅里葉顯微術廣泛應用于單分子成像、表面等離子體觀測、光子晶體成像等領域。它使直接觀察空間頻率分布成為可能。在高NA傅里葉顯微鏡中，不同的效應(每個透鏡表面上角度相關的菲涅耳損耗、衍射等)會影響單個分子最終獲得的圖像質量。快速物理光學軟件VirtualLab Fusion可以使用其強大的場追跡引擎對整個系統進行建模，包括菲涅耳損耗和孔徑衍射效應。本文給出了一個案例，并將仿真結果與文獻中的實驗結果進行了比較
關鍵詞：pKa,高精度熱力學計算，DFT，Gaussian，量子化學
胺類化合物在化學、藥物化學和生物化學中扮演著重要角色，它們不僅廣泛應用于藥物設計、催化反應、環境污染治理等領域，而且其酸堿性質直接影響分子的溶解度、生物利用度和代謝途徑。因此，準確預測胺類分子的 pKa 值，對于理解其酸堿行為和調控其化學反應性具有重要意義。pKa 值反映了分子在水溶液中的酸性或堿性強度，通常通過實驗測定，但實驗方法常常受到溶劑效應
