南京大学胡文兵教授课题组：材料结构与性能关系研究中的“测不准现象”- 拉伸聚合物可消除其原生态结构记忆
众所周知，经典量子物理学有个著名的海森堡“测不准原理”，即实验不可能同时准确地测量微观粒子的位置和动量，准确测量其中一个物理量的实验过程必然会干扰另一个物理量实验测量结果的准确性。在材料的结构与性能关系研究中，材料性能的实验测量过程也经常会改变材料的原生态结构，导致所获得的性能测量结果不再是原生态结构本身特殊性质的反映，存在类似的“测不准现象”。例如，聚合物结晶所获得的非平衡态结构与其热历史密切相关，其在DSC实验升温扫描测量熔点的过程中经常会进一步发生退火行为，转化为热力学更加稳定的新结构，如果忽视这一退火转化规律，此时所测量得到的熔点就有可能不再准确地反映原生态结构特殊的熔融性质。
不同于金属和玻璃陶瓷材料，聚合物材料在拉伸破坏过程中会发生较大的形变并吸收冲击能量，表现出很好的韧性。聚合物对冲击能量的吸收耗散过程主要是通过如图1所示应力-应变拉伸曲线中的材料细颈化转变来实现的，其与塑料银纹的产生机制密切相关，特别重要的是半结晶聚合物在这一拉伸应变过程中的熔融-重结晶机理。因此，聚合物在拉伸变形过程中也存在类似的“测不准现象”，即原生态结构在拉伸过程中发生进一步的结构演化，最终实验所测量得到的大变形状态力学性能有可能就不再准确地反映原生态结构特殊的力学性质。
在国家自然科学基金委的项目支持下，南京大学胡文兵教授课题组采用动态蒙特卡洛分子模拟研究聚合物拉伸诱导结晶的微观机理，取得了新的研究进展。如图2所示，他们对照研究了两种原生态结构完全不同的本体聚合物（分别为无定形态和半结晶态）在拉伸过程中的结构演化行为，发现在相同的应变速率和拉伸温度条件下，两种聚合物结构演化到较大的应变时所产生的半结晶织态结构具有相近的结晶度、结晶取向度、链近邻折叠概率、拉伸剩余模量（见图3）、甚至结晶形貌（见图4），并且在一系列温度条件下均呈现出独立于各自原生态结构的演化结果。这项分子模拟研究结果表明，聚合物材料只要发生足够大的拉伸变形，可以像足够高温度的热处理一样，有效地消除原生态的半结晶织态结构记忆效应。
图3. 无定形聚合物和半结晶聚合物在不同温度下拉伸到Hencky应变1.6时的结晶度(a)、取向度(b)、近邻折叠概率(c)和剩余模量(d)的对比结果，彼此非常接近。
图4. 无定形聚合物和半结晶聚合物在三个温度下平行拉伸到Hencky应变1.6时的结晶形貌，上下对应的半结晶织态结构特点非常相似。
当然，这里的“测不准现象”，仅仅是提醒我们要关注材料性能测试过程中的结构演化规律，并不意味着对原生态材料的结构和性能关系就无法进行有效的实验观测。例如，只要DSC升温速率足够高，或者材料原生态结构足够稳定，都有可能避免在升温过程中发生较为明显的退火行为，就能观测到原生态聚合物结晶结构的零熵产物（zero-entropy production）熔融性能。材料在缺口抗冲强度测试过程中所发生的脆断行为，也可有效地避免材料在断裂过程中发生进一步的大变形结构演化，从而获得原生态材料结构特殊的力学性能结果。
这项分子模拟研究工作，有助于我们更好地理解实际聚合物材料取向加工成型过程和拉伸力学性能测试过程复杂的结构与性能关系演化机制。实际上，经低温退火处理后的玻璃态聚合物材料呈现所谓的拉伸力学性能 “回春”（Rejuvenation）现象[Macromolecules 2010,43, 5863]，其也可从聚合物拉伸过程中原生态退火结构记忆被消除这一演化规律出发，得到一个合理的解释。相关研究成果最近在线发表在物理化学国际核心期刊The Journal of Chemical Physics（2022, 156, 144904）上。
文章链接：
https://doi.org/10.1063/5.0083952
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