聚合物結(jié)構(gòu)與性能的案例
塑膠材料篇：聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)聚合物性能的影響
上篇介紹了高分子鏈結(jié)構(gòu)對(duì)材料基本性能的影響，但由于聚合物是由許多高分子鏈聚集而成，有時(shí)即使相同鏈結(jié)構(gòu)的同一種聚合物，在不同的加工成型條件下，也會(huì)產(chǎn)生不同的聚集態(tài)，所得制品的性能也會(huì)截然不同，因此聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物材料使用性能的影響比高分子鏈結(jié)構(gòu)更直接、更重要。
聚合物的聚集態(tài)指的是高分子鏈之間的排列和堆砌狀態(tài)，不同大分子鏈通過分子間的作用力聚集成為聚合物。
一、分子間的作用力類型：
其中，高分子鏈的形成主要靠主價(jià)力（化學(xué)鍵）；而高分子鏈聚集成聚合物主要靠次價(jià)力（分子間的力）。
1、范德華力：沒有方向性和飽和性。
其中，色散力存在于一切分子中，是范德華力最普遍的一種，在非極性分子中，分子間的作用力主要是色散力，如PE、PP、PS。
2、氫鍵：具有方向性和飽和性。
氫鍵的形成條件是一個(gè)電負(fù)性強(qiáng)、半徑小的原子X與氫原子H形成的共價(jià)鍵(X－H)，而這個(gè)氫原子又與另外一個(gè)電負(fù)性強(qiáng)、半徑小的原子Y以一種特殊的偶極作用結(jié)合成氫鍵(X－H···Y)。
氫鍵的形成可以是分子內(nèi)，也可以是分子間。
分子間形成氫的高聚物有聚丙烯酸、聚酰胺等。
二、聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)
以上各種分子間的作用力共同其作用才使得相同或不同分子聚集成不同狀態(tài)的聚合物，此時(shí)的聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)主要包括分為晶態(tài)結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、液晶態(tài)結(jié)構(gòu)和取向態(tài)結(jié)構(gòu)。
1. 晶態(tài)結(jié)構(gòu)（含晶區(qū)和非晶區(qū)）
2. 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)程無序，近程有序，均相，各向同性）
3. 液晶態(tài)（介于晶態(tài)和非晶態(tài)之間，物理狀態(tài)為液體，又具有晶體的有序性）
4.
展開 本征導(dǎo)熱聚合物研究：機(jī)理、結(jié)構(gòu)與性能及應(yīng)用
聚合物因自身的飽和結(jié)構(gòu)，無自由電子，故聲子為主要的熱傳輸載體。根據(jù)德拜方程：
k＝（Cv·ｖ·l）/3 （1）
式中，ｋ、Cv、v 及 l 分別為熱導(dǎo)率、比熱容、聲子速率及 ＭFP。決定 k 的參數(shù) v 及 l 與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有序性密切相關(guān)，聲子的 ＭFP 大小取決于具有晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的聲子幾何散射以及與其他聲子間的碰撞散射等因素。因聚合物的巨大分子量及多分散性、無規(guī)糾纏的長(zhǎng)分子鏈及各類鏈結(jié)構(gòu)缺陷、非諧性晶格振動(dòng)等因素引起的聲子碰撞導(dǎo)致的聲子靜態(tài)散射和動(dòng)態(tài)散射明顯縮短了最終 ＭFP，故非晶無序結(jié)構(gòu)聚合物的導(dǎo)熱主要憑借無規(guī)排列的分子圍繞一個(gè)固定位置的熱振動(dòng)將能量逐次傳遞給相鄰分子，強(qiáng)烈聲子散射導(dǎo)致很低的導(dǎo)熱，見圖1 所示。
圖1 聚合物的熱傳導(dǎo)機(jī)制（a~f：熱能在晶格中逐步傳遞示意圖）
結(jié)晶聚合物的長(zhǎng)程有序晶格結(jié)構(gòu)能明顯增大聲子 ＭFP 和抑制聲子散射，顯著促進(jìn)聲子熱傳遞（圖1）。但實(shí)際上因非晶無序結(jié)構(gòu)存在，無規(guī)鏈纏結(jié)導(dǎo)致結(jié)晶聚合物難以形成完整晶格結(jié)構(gòu)，故其導(dǎo)熱僅比非晶聚合物的稍高。因此，調(diào)節(jié)多尺度分子鏈結(jié)構(gòu)，增大結(jié)構(gòu)有序性，抑制各類聲子散射，構(gòu)建利于聲子傳遞的低熱阻通路可提升和調(diào)控聚合物的導(dǎo)熱。當(dāng)前是從宏觀、微觀及分子尺度分別理解聚合物的熱傳遞物理機(jī)制，研究聚合物的導(dǎo)熱與其他性能的關(guān)聯(lián)是宏觀主要研究路線，具有高度唯象學(xué)特點(diǎn)，微觀理解則強(qiáng)調(diào)從傳熱載體角度的傳熱物理，總結(jié)來自試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，而從分子水平上才是理解和預(yù)測(cè)聚合物導(dǎo)熱的核心和關(guān)鍵。
03
聚合物結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性能
導(dǎo)熱性能與聚合物的多層次結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)影響因素包括 1～3 級(jí)結(jié)構(gòu)如單體化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子鏈結(jié)構(gòu)及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)等，1～3 級(jí)多層次結(jié)構(gòu)相互交織在一起，協(xié)同影響著聚合物的導(dǎo)熱性能。
展開 鮑哲南教授支招聚合物半導(dǎo)體的機(jī)械性能和電子性能如何盡可能兼得
，R代表恢復(fù)100%應(yīng)變；（d）多次50%應(yīng)變后的可完全拉伸的晶體管的場(chǎng)效遷移率
【小結(jié)】
作者研究了非共軛隔離鏈段的柔性程度對(duì)聚合物半導(dǎo)體的機(jī)械性能和電子性能的影響，發(fā)現(xiàn)這些鏈段能調(diào)控聚合物半導(dǎo)體的機(jī)械性能和使聚合物半導(dǎo)體保持高遷移率，測(cè)試了聚合物半導(dǎo)體發(fā)生應(yīng)變后的性能，制備了可完全拉伸的晶體管，為聚合物半導(dǎo)體的性能的優(yōu)化進(jìn)一步打下理論基礎(chǔ)。
聚合物的流變性能，你知道嗎？
一概述
注塑中把聚合物材料加熱到熔融狀態(tài)下進(jìn)行加工。這時(shí)可把熔體看成連續(xù)介質(zhì)，在機(jī)器某些部位上，如螺桿，料筒，噴嘴及模腔流道中形成流場(chǎng)。在流場(chǎng)中熔體受到應(yīng)力，時(shí)間，溫度的聯(lián)合作用發(fā)生形變或流動(dòng)。這樣聚合物熔體的流動(dòng)就和機(jī)器某些幾何參數(shù)和工藝參數(shù)發(fā)生密切的聯(lián)系。
處于層流狀態(tài)下的聚合物熔體，依本身的分子結(jié)構(gòu)和加工條件可分近似牛頓型和非牛頓型流體它們的流變特性暫不予祥細(xì)介紹。
1、關(guān)于流變性能
（1）剪切速率，剪切應(yīng)力對(duì)粘度的影響
通常，剪切應(yīng)力隨剪切速率提高而增加，而粘度卻隨剪切速率或剪切應(yīng)力的增加而下降。
剪切粘度對(duì)剪切速率的依賴性越強(qiáng)，粘度隨剪切速率的提高而訊速降低，這種聚合物稱作剪性聚合物，這種剪切變稀的現(xiàn)象是聚合物固有的特征，但不同聚合物剪切變稀程度是不同的，了解這一點(diǎn)對(duì)注塑有重要意義。
（2）離模膨脹效應(yīng)
當(dāng)聚合物熔體離開流道口時(shí)，熔體流的直徑，大于流道出口的直徑，這種現(xiàn)象稱為離模膨脹效應(yīng)。
普遍認(rèn)為這是由聚合物的粘彈效應(yīng)所引起的膨脹效應(yīng)，粘彈效應(yīng)要影響膨脹比的大小，溫度，剪切速率和流道幾何形狀等都能影響熔體的膨脹效應(yīng)。所以膨脹效應(yīng)是熔體流動(dòng)過程中的彈性反映，這種行為與大分子沿流動(dòng)方向的剪切應(yīng)力作用和垂直于流動(dòng)方向的法向應(yīng)力作用有關(guān)。
在純剪切流動(dòng)中法向效應(yīng)是較小的。粘彈性熔體的法向效應(yīng)越大則離模膨脹效應(yīng)越明顯。
流道的影響；假如流道長(zhǎng)度很短，離模效應(yīng)將受到入口效應(yīng)的影響。這是因?yàn)檫M(jìn)入澆口段的熔體要收劍流動(dòng)，流動(dòng)正處在速度重新分布的不穩(wěn)定時(shí)期，如果澆口段很短，熔體料流會(huì)很快地出口，剪切應(yīng)力的作用會(huì)突然消失，速度梯度也要消除，大分子發(fā)生蜷曲，產(chǎn)生彈性恢復(fù)，這會(huì)使離模膨脹效應(yīng)加劇。
展開 
高分子“變形金剛”——拓?fù)?em>結(jié)構(gòu)可變的聚合物重新定義刺激響應(yīng)型聚合物的未來
一個(gè)世紀(jì)前，德國化學(xué)家赫爾曼?施陶丁格(Hermann Staudinger，1953年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主)先驅(qū)性地提出大分子是由小分子重復(fù)單元通過化學(xué)共價(jià)鍵連接在一起，從此顛覆了當(dāng)時(shí)主流學(xué)界對(duì)高分子結(jié)構(gòu)的普遍認(rèn)知。自那以后，高分子化學(xué)領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)繁榮昌盛的時(shí)代。五花八門的高分子合成材料不僅僅走進(jìn)了我們的生活，并且更是極大地提高了人類的生活質(zhì)量，比如日常隨處可見的工業(yè)材料（建筑，包裝，涂料，紡織等）和高價(jià)值的新型功能材料諸如生物醫(yī)用器械和微電子芯片等。作為高分子家族重要的一員，刺激響應(yīng)型高分子是一類可以響應(yīng)外界環(huán)境變化從而改變自身理化性質(zhì)的“聰明”大分子。通過精細(xì)的設(shè)計(jì)，這類聚合物可以響應(yīng)很多種外界信號(hào)諸如酸堿度，溫度，光，力，氧化還原試劑，電磁場(chǎng)等。近年來，高分子科學(xué)家對(duì)這類聚合物材料進(jìn)行了廣泛深入的研究并證明了其在生命科學(xué)，納米科學(xué)，材料科學(xué)，環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
傳統(tǒng)的刺激響應(yīng)型高分子在外界刺激的作用下往往只會(huì)發(fā)生一些非常基礎(chǔ)的的改變，比如聚合物鏈構(gòu)象，聚合物之間相互作用，或者聚合物與溶劑之間的相互作用（即溶解性）等。然而上述這些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)變化在很多情況下無法引起聚合物材料發(fā)生顯著的性質(zhì)改變，因此可能無法滿足很多實(shí)際應(yīng)用中的要求。為了進(jìn)一步讓刺激響應(yīng)型聚合物變得更加“聰明”，一批高分子化學(xué)家近幾年另辟蹊徑，開始嘗試研發(fā)一類新型的刺激響應(yīng)型高分子，賦予它們?cè)诃h(huán)境刺激下改變自身拓?fù)?em>結(jié)構(gòu)（Architecture）的能力。眾所周知，聚合物的拓?fù)?em>結(jié)構(gòu)包含線性，超支化，梳型，星型，環(huán)形等等。這些拓?fù)?em>結(jié)構(gòu)作為高分子的一個(gè)基礎(chǔ)卻重要的特征，無論對(duì)高分子的本體性質(zhì)（例如熱性質(zhì)）還是溶液性能（例如自組裝，粘度等）都有著非常重要的影響。因此，當(dāng)大分子能夠像“變形金剛”一樣去改變自身拓?fù)?em>結(jié)構(gòu)時(shí)，它們的性質(zhì)也會(huì)隨之發(fā)生顯著性的改變。
展開 具有優(yōu)異的電絕緣、高導(dǎo)熱性能的聚合物復(fù)合材料
聚合物良好的可加工性和電絕緣性能使其在熱管理中不可或缺，但其隨機(jī)盤繞的共價(jià)分子鏈會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲子散射，由此產(chǎn)生的低導(dǎo)熱系數(shù)極大地限制了其在散熱中的應(yīng)用。
通過提高分子鏈的結(jié)晶度和有序度，聚乙烯纖維、聚乙烯薄膜、聚乙烯氧化物纖維和聚苯并二惡唑纖維獲得了優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)。這為輕質(zhì)、可加工和絕緣導(dǎo)熱材料開辟了兩個(gè)新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其優(yōu)異的力學(xué)性能、低密度、良好的耐化學(xué)性、高耐磨性等特點(diǎn)而備受關(guān)注。最近的研究已經(jīng)擴(kuò)大了在熱管理中使用聚乙烯的可能性。
超高分子量聚乙烯纖維具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領(lǐng)域發(fā)展為導(dǎo)熱材料。目前，絕緣導(dǎo)熱材料主要是填充導(dǎo)熱填料，然而在高填充量下面臨導(dǎo)熱系數(shù)惡化、密度高、可加工性差等棘手問題。利用超高分子量聚乙烯纖維開發(fā)全聚合物復(fù)合材料有望解決上述問題。但目前很少有研究對(duì)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究，導(dǎo)熱系數(shù)大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料更是罕見。
02
成果掠影
近期，北京大學(xué)白樹林教授在開發(fā)具有高導(dǎo)熱和電絕緣性能的聚合物復(fù)合材料取得新成果。
針對(duì)開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械性能、電絕緣、高導(dǎo)熱的全聚合物復(fù)合材料，通過熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)±45°復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)約為0/90°復(fù)合材料的1.3~1.4倍，并通過有限元模擬和模型計(jì)算驗(yàn)證了相應(yīng)的機(jī)理。
UHMWPE纖維形成的導(dǎo)熱通道使0/90°和±45°復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)分別為9.94和13.61 W/mK。通過在纖維表面沉積聚多巴胺(PDA)和枝接聚醚胺(PEA)，改善了纖維/環(huán)氧樹脂界面的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)和剪切模量分別提高了40.7%和52.3%。
展開 案例 | 利用Digimat快速評(píng)估聚合物炸藥的材料性能
它是以TATB為主體，加入粘結(jié)劑粉末壓制成形的復(fù)合材料，由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和安全性能而得到廣泛應(yīng)用。通過Digimat-FE可以快速評(píng)估組成成分對(duì)炸藥性能的影響。
主要亮點(diǎn)
應(yīng)用產(chǎn)品：Digimat-FE
行業(yè)：軍工領(lǐng)域
具體應(yīng)用：快速評(píng)估材料性能
挑戰(zhàn)
TATB基PBX內(nèi)部包含著大量不規(guī)則、跨尺度的孔隙，研究孔隙對(duì)TATB基PBX力學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)認(rèn)識(shí)炸藥的承載能力和結(jié)構(gòu)失效機(jī)制均具有重要意義。由于孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜且無序分布，再加上目前實(shí)驗(yàn)手段的限制，難以從實(shí)驗(yàn)上建立孔隙與PBX宏觀力學(xué)性能的定量關(guān)系。以材料微觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的熱力學(xué)數(shù)值預(yù)測(cè)模型，用代表體積元法（Representative Volume Element，RVE）可有效解決這個(gè)問題。采用Digimat-FE模塊中的RVE建模方法，建立了填充相、基體相和氣孔相三相有限元計(jì)算模型。
Digimat-FE 示意圖
具體操作流程
首先對(duì)材料特性進(jìn)行設(shè)定，包括Binder和TATB材料特性以及TATB作為夾雜項(xiàng)的設(shè)定，和氣泡作為夾雜相的設(shè)定。在Digimat-FE中可以直接在geometry當(dāng)中生成幾何模型PBX代表體單元模型，其中TATB體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為70%，孔隙度設(shè)定為5%，紅色為TATB，灰色為空穴，基材為粘結(jié)劑，可以從生成的下表中看出實(shí)際生成的TATB體積分?jǐn)?shù)為0.692509，空穴的體積分?jǐn)?shù)為0.0500096，與設(shè)定誤差非常小。
材料組成及RVE微結(jié)構(gòu)設(shè)置生成
RVE單元各相體積分?jǐn)?shù)比
然后利用內(nèi)置前處理劃分網(wǎng)格。20秒鐘后，系統(tǒng)自動(dòng)幾何網(wǎng)格，并劃分合適的網(wǎng)格。
接下來需要?jiǎng)澐衷O(shè)定載荷，F(xiàn)E當(dāng)中支持內(nèi)部設(shè)定載荷，可以設(shè)定軸向，雙軸，剪切等載荷類型。
展開 南開大學(xué)孫平川研究員：熱可逆交聯(lián)環(huán)氧樹脂的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)與性能研究
具有可再加工和自修復(fù)能力的高性能交聯(lián)聚合物材料及其結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究一直是高分子科學(xué)中備受關(guān)注的研究課題。環(huán)氧樹脂作為一種常見的典型熱固性聚合物具有許多優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但其交聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致它難以再加工循環(huán)利用。近年來通過引入Diels-Alder(DA)鍵等可逆共價(jià)鍵，文獻(xiàn)報(bào)道了多種具有熱修復(fù)和再加工能力、以及具有形狀記憶性質(zhì)的熱可逆交聯(lián)環(huán)氧樹脂的制備與應(yīng)用，但其微觀的動(dòng)態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)系的研究很少報(bào)道。為了闡明熱可逆交聯(lián)環(huán)氧樹脂中微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院孫平川研究員在《高分子學(xué)報(bào)》2018年第7期“何炳林先生誕辰100周年紀(jì)念”專輯發(fā)表的論文中采用熱分析、13C變溫原位固體核磁共振技術(shù)和力學(xué)性能測(cè)試等多種表征技術(shù)，詳細(xì)研究了該熱可逆交聯(lián)聚合物中的熱可逆轉(zhuǎn)變過程、動(dòng)態(tài)交聯(lián)化學(xué)鍵演化以及交聯(lián)度對(duì)力學(xué)性能的影響。
通過DSC和DMA等熱分析研究結(jié)果表明，可逆共價(jià)鍵的化學(xué)交聯(lián)作用提高了材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，隨著交聯(lián)度的增大，熱可逆共價(jià)鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及玻璃化轉(zhuǎn)變協(xié)同作用導(dǎo)致材料軟化溫度顯著提高，進(jìn)而提高了材料的耐熱性。通過變溫13C直接極化(DP)和交叉極化(CP)兩種不同的固體NMR實(shí)驗(yàn)技術(shù)原位監(jiān)測(cè)了DA/retro-DA反應(yīng)過程，發(fā)現(xiàn)該熱可逆交聯(lián)環(huán)氧樹脂中DA反應(yīng)形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在高溫解交聯(lián)，生成呋喃與馬來酰亞胺小分子化合物，而低溫時(shí)呋喃與馬來酰亞胺化合物又再次反應(yīng)得到DA加成結(jié)構(gòu)，進(jìn)而從分子水平上為材料的熱可逆交聯(lián)特性提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。而原樣品和溶液法再加工樣品的力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可逆交聯(lián)DA反應(yīng)不但使樣品具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，而且使交聯(lián)聚合物具有了很好的再加工能力。
展開 案例 | 利用Digimat快速評(píng)估聚合物炸藥的材料性能
它是以TATB為主體，加入粘結(jié)劑粉末壓制成形的復(fù)合材料，由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和安全性能而得到廣泛應(yīng)用。通過Digimat-FE可以快速評(píng)估組成成分對(duì)炸藥性能的影響。
主要亮點(diǎn)
應(yīng)用產(chǎn)品：Digimat-FE
行業(yè)：軍工領(lǐng)域
具體應(yīng)用：快速評(píng)估材料性能
挑戰(zhàn)
TATB基PBX內(nèi)部包含著大量不規(guī)則、跨尺度的孔隙，研究孔隙對(duì)TATB基PBX力學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)認(rèn)識(shí)炸藥的承載能力和結(jié)構(gòu)失效機(jī)制均具有重要意義。由于孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜且無序分布，再加上目前實(shí)驗(yàn)手段的限制，難以從實(shí)驗(yàn)上建立孔隙與PBX宏觀力學(xué)性能的定量關(guān)系。以材料微觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的熱力學(xué)數(shù)值預(yù)測(cè)模型，用代表體積元法（Representative Volume Element，RVE）可有效解決這個(gè)問題。采用Digimat-FE模塊中的RVE建模方法，建立了填充相、基體相和氣孔相三相有限元計(jì)算模型。
Digimat-FE 示意圖
具體操作流程
首先對(duì)材料特性進(jìn)行設(shè)定，包括Binder和TATB材料特性以及TATB作為夾雜項(xiàng)的設(shè)定，和氣泡作為夾雜相的設(shè)定。在Digimat-FE中可以直接在geometry當(dāng)中生成幾何模型PBX代表體單元模型，其中TATB體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為70%，孔隙度設(shè)定為5%，紅色為TATB，灰色為空穴，基材為粘結(jié)劑，可以從生成的下表中看出實(shí)際生成的TATB體積分?jǐn)?shù)為0.692509，空穴的體積分?jǐn)?shù)為0.0500096，與設(shè)定誤差非常小。
材料組成及RVE微結(jié)構(gòu)設(shè)置生成
RVE單元各相體積分?jǐn)?shù)比
然后利用內(nèi)置前處理劃分網(wǎng)格。20秒鐘后，系統(tǒng)自動(dòng)幾何網(wǎng)格，并劃分合適的網(wǎng)格。
接下來需要?jiǎng)澐衷O(shè)定載荷，F(xiàn)E當(dāng)中支持內(nèi)部設(shè)定載荷，可以設(shè)定軸向，雙軸，剪切等載荷類型。
展開 案例 | 利用Digimat快速評(píng)估聚合物炸藥的材料性能
它是以TATB為主體，加入粘結(jié)劑粉末壓制成形的復(fù)合材料，由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和安全性能而得到廣泛應(yīng)用。通過Digimat-FE可以快速評(píng)估組成成分對(duì)炸藥性能的影響。
主要亮點(diǎn)
應(yīng)用產(chǎn)品：Digimat-FE
行業(yè)：軍工領(lǐng)域
具體應(yīng)用：快速評(píng)估材料性能
挑戰(zhàn)
TATB基PBX內(nèi)部包含著大量不規(guī)則、跨尺度的孔隙，研究孔隙對(duì)TATB基PBX力學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)認(rèn)識(shí)炸藥的承載能力和結(jié)構(gòu)失效機(jī)制均具有重要意義。由于孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜且無序分布，再加上目前實(shí)驗(yàn)手段的限制，難以從實(shí)驗(yàn)上建立孔隙與PBX宏觀力學(xué)性能的定量關(guān)系。以材料微觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的熱力學(xué)數(shù)值預(yù)測(cè)模型，用代表體積元法（Representative
Volume
Element，RVE）可有效解決這個(gè)問題。采用Digimat-FE模塊中的RVE建模方法，建立了填充相、基體相和氣孔相三相有限元計(jì)算模型。
Digimat-FE 示意圖
具體操作流程
首先對(duì)材料特性進(jìn)行設(shè)定，包括Binder和TATB材料特性以及TATB作為夾雜項(xiàng)的設(shè)定，和氣泡作為夾雜相的設(shè)定。在Digimat-FE中可以直接在geometry當(dāng)中生成幾何模型PBX代表體單元模型，其中TATB體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為70%，孔隙度設(shè)定為5%，紅色為TATB，灰色為空穴，基材為粘結(jié)劑，可以從生成的下表中看出實(shí)際生成的TATB體積分?jǐn)?shù)為0.692509，空穴的體積分?jǐn)?shù)為0.0500096，與設(shè)定誤差非常小。
材料組成及RVE微結(jié)構(gòu)設(shè)置生成
RVE單元各相體積分?jǐn)?shù)比
然后利用內(nèi)置前處理劃分網(wǎng)格。20秒鐘后，系統(tǒng)自動(dòng)幾何網(wǎng)格，并劃分合適的網(wǎng)格。
接下來需要?jiǎng)澐衷O(shè)定載荷，F(xiàn)E當(dāng)中支持內(nèi)部設(shè)定載荷，可以設(shè)定軸向，雙軸，剪切等載荷類型。這里我們?cè)O(shè)置沿x軸拉伸。
展開 Digimat&Marc助力Radici集團(tuán)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)再生工程聚合物的力學(xué)性能
Radici集團(tuán)的高性能聚合物公司使用Digimat和Marc，根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)、拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)和微觀力學(xué)建模對(duì)材料卡進(jìn)行逆向工程。
背景
Radici集團(tuán)的高性能聚合物公司提供力學(xué)回收的工程聚合物。由于開發(fā)用于高端應(yīng)用的再生聚合物是一項(xiàng)有挑戰(zhàn)的工作，Radici集團(tuán)的高性能聚合物公司借助于海克斯康工業(yè)軟件Digimat和Marc軟件，提出一種先進(jìn)的材料性能預(yù)測(cè)方法，以便讓客戶相信其生產(chǎn)的可持續(xù)利用材料能夠滿足客戶的應(yīng)用要求。
Radici集團(tuán)的高性能聚合物公司已經(jīng)驗(yàn)證了三種可回收產(chǎn)品。一個(gè)是后工業(yè)可回收（PIRPIR）級(jí)別，兩個(gè)是后消費(fèi)可回收（PCRPCR）級(jí)別。這些產(chǎn)品源自于安全氣囊廢物和輪罩廢物。根據(jù)生命周期評(píng)估，使用回收工程材料相比于使用原始材料，二氧化碳排放減少了84%-88% 。
圖1：一種原始材料和三種回收級(jí)別的材料的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)
挑戰(zhàn)
圖1 中的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，可回收聚酰胺6.6 在材料開發(fā)和商業(yè)化方面面臨挑戰(zhàn)。三種可回收聚合物，即PIR GF030/1K 、具有報(bào)廢安全氣囊的PCR PA6.6 GF30 以及具有回收輪罩的PCRPA6.6 GFMD3015GFMD3015，和原始材料進(jìn)行了對(duì)比。
解決方案
Radici集團(tuán)的高性能聚合物公司使用Digimat和Marc，根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)、拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)和微觀力學(xué)建模對(duì)材料卡進(jìn)行逆向工程。回收過程中的額外加工步驟使微觀結(jié)構(gòu)成為影響回收工程聚合物材料性能的關(guān)鍵因素。受研磨和復(fù)合影響的纖維長(zhǎng)度分布可準(zhǔn)確地記錄在Digimat 材料卡中。
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昆工《AFM》：一種可用于高分辨X射線成像的高性能聚合物陶瓷！
綜上所述，本文實(shí)現(xiàn)了適用于多種場(chǎng)合高分辨率X射線探測(cè)的柔性透明鈣鈦礦型聚合物陶瓷。獲得高性能聚合物陶瓷的關(guān)鍵是聚合物PMMA的高粘度環(huán)境，這保證了CsPbBr3 PNC的均勻成核和結(jié)晶，沒有團(tuán)聚和Ostwald熟化。閃爍屏的圖像空間分辨率可達(dá)12.5lp mm?1，探測(cè)下限為120nGys?1。此外，該閃爍屏的靈活性使其能夠?qū)Σ灰?guī)則物體進(jìn)行高分辨率成像。此外，本文還注意到，在高劑量X射線輻射的影響下，損傷的CsPbBr3 PNC可以通過后退火處理完全恢復(fù)。因此，高性能聚合物陶瓷可以長(zhǎng)期應(yīng)用于高分辨率X射線成像。
科研人員開發(fā)出高性能鎂電池用凝膠聚合物電解質(zhì)
盡管十多年來研究人員開發(fā)出了一些性能優(yōu)異的有機(jī)液態(tài)電解液，但是液態(tài)電解液始終擺脫不了易揮發(fā)、易燃等缺點(diǎn)。與液態(tài)電解液相比，聚合物電解質(zhì)具有更高安全性、預(yù)防內(nèi)短路、無電解液泄露、易于組裝電池和結(jié)構(gòu)柔性等優(yōu)點(diǎn)，但是目前關(guān)于聚合物電解質(zhì)在鎂電池中的應(yīng)用報(bào)道還很少。
圖1 凝膠聚合物電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域示意圖
圖2 硼氫化鎂與聚四氫呋喃端羥基的原位交聯(lián)反應(yīng)示意圖
基于以上研究背景，依托中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所建設(shè)的青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院通過硼氫化鎂與聚四氫呋喃端羥基的原位交聯(lián)反應(yīng)，在玻璃纖維骨架上構(gòu)建了一種能夠可逆地沉積溶解鎂的凝膠聚合物電解質(zhì)體系。該凝膠電解質(zhì)表現(xiàn)出高的鎂離子遷移數(shù)（0.73）和高的室溫離子電導(dǎo)率（4.76×10-4 S/cm）。而裝配該凝膠電解質(zhì)體系的Mo6S8/Mg電池不僅能在寬溫區(qū)（-20-60℃）內(nèi)正常工作，而且展現(xiàn)出優(yōu)異的安全性能。這種原位交聯(lián)的方法為鎂電池聚合物電解質(zhì)的進(jìn)一步開發(fā)提供了一種十分有應(yīng)用潛力的策略。相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上，論文第一作者為青島能源所博士生杜奧冰。
展開 設(shè)計(jì)仿真 | Digimat&Marc助力Radici集團(tuán)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)再生工程聚合物的力學(xué)性能
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Radici集團(tuán)的高性能聚合物公司使用Digimat和Marc，根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)、拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)和微觀力學(xué)建模對(duì)材料卡進(jìn)行逆向工程。
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背 景
Radici集團(tuán)的高性能聚合物公司提供力學(xué)回收的工程聚合物。由于開發(fā)用于高端應(yīng)用的再生聚合物是一項(xiàng)有挑戰(zhàn)的工作，Radici集團(tuán)的高性能聚合物公司借助于海克斯康工業(yè)軟件Digimat和Marc軟件，提出一種先進(jìn)的材料性能預(yù)測(cè)方法，以便讓客戶相信其生產(chǎn)的可持續(xù)利用材料能夠滿足客戶的應(yīng)用要求。
Radici集團(tuán)的高性能聚合物公司已經(jīng)驗(yàn)證了三種可回收產(chǎn)品。一個(gè)是后工業(yè)可回收（PIRPIR）級(jí)別，兩個(gè)是后消費(fèi)可回收（PCRPCR）級(jí)別。這些產(chǎn)品源自于安全氣囊廢物和輪罩廢物。根據(jù)生命周期評(píng)估，使用回收工程材料相比于使用原始材料，二氧化碳排放減少了84%-88% 。
圖1：一種原始材料和三種回收級(jí)別的材料的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)
挑 戰(zhàn)
圖1 中的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，可回收聚酰胺6.6 在材料開發(fā)和商業(yè)化方面面臨挑戰(zhàn)。三種可回收聚合物，即PIR GF030/1K 、具有報(bào)廢安全氣囊的PCR PA6.6 GF30 以及具有回收輪罩的PCRPA6.6 GFMD3015GFMD3015，和原始材料進(jìn)行了對(duì)比。
解決方案
Radici集團(tuán)的高性能聚合物公司使用Digimat和Marc，根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)、拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)和微觀力學(xué)建模對(duì)材料卡進(jìn)行逆向工程。回收過程中的額外加工步驟使微觀結(jié)構(gòu)成為影響回收工程聚合物材料性能的關(guān)鍵因素。受研磨和復(fù)合影響的纖維長(zhǎng)度分布可準(zhǔn)確地記錄在Digimat 材料卡中。
展開 青科大閆業(yè)海教授課題組在高性能聚合物分離膜方面取得系列進(jìn)展
針對(duì)膜蒸餾技術(shù)中，單一疏水型聚合物膜容易被含有機(jī)溶劑或表面活性劑的原料液潤(rùn)濕，進(jìn)而導(dǎo)致膜污染和截鹽率下降的問題，課題組巧妙利用NIPS法制膜過程中易于得到的互穿網(wǎng)絡(luò)膜孔結(jié)構(gòu)提供構(gòu)建雙疏表面的倒懸結(jié)構(gòu)。獲得的疏水疏油聚砜膜對(duì)水和有機(jī)溶劑均表現(xiàn)出抗浸潤(rùn)性，延長(zhǎng)膜蒸餾使用周期（見圖1）。
圖1雙疏型聚砜膜的形貌、浸潤(rùn)性與膜蒸餾性能
該研究成果發(fā)表于膜領(lǐng)域top期刊Journal of Membrane Science，第一作者為碩士生范慧琴。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.117933
界面光熱轉(zhuǎn)換膜可利用太陽能作為加熱源，實(shí)現(xiàn)對(duì)海水的蒸發(fā)收集。其中提高光熱轉(zhuǎn)換界面層的光熱轉(zhuǎn)換效率是提高水蒸發(fā)速率的關(guān)鍵。課題組將還原氧化石墨烯（rGO）包覆的聚苯乙烯微球沉積于聚砜膜表面，構(gòu)建具有高度粗糙結(jié)構(gòu)的rGO吸光層，進(jìn)一步提高了膜表面對(duì)太陽光的吸收效率（96%），水蒸發(fā)速率可提高至1.86 kg m-2h-1，見圖2。
圖2 rGO/PS/PSf光熱轉(zhuǎn)換膜實(shí)現(xiàn)水蒸發(fā)速率提升
相關(guān)工作已發(fā)表于Chemical Engineering Journal（IF 10.65），第一作者為碩士生范慧琴。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128798
課題組在超浸潤(rùn)分離與吸附材料領(lǐng)域發(fā)展了水下超疏油PVDF膜、Janus石墨烯氣凝膠和氣體二極管膜等。
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