压电实验室林骥副研究员在国际期刊IJP发表论文

【2023年3月4日】非晶态聚合变形特征包括屈服、应变软化和应变硬化，具有率/温度依赖性，并明显依赖于热处理和加载路径等，现有的粘塑性模型往往只能预测上述部分特征，因此建立本构模型全面准确地描述非晶态聚合物在不同加载条件下应力应变关系，有效刻画其力学响应特征，具有重要意义。针对这一问题，宁波大学林骥副研究员与浙江大学肖锐研究员合作，发展了平均场剪切转变区（shear transformation zone, STZ）理论模型，该模型准确刻画了聚合物微观结构和剪切转变区的耦合关系，并确定了剪切转变区内部微观结构变形与STZ取向极化的定量关系，有效预测了非晶态聚合物率/温度相关的粘塑性与玻璃化转变，蠕变与应力松弛，物理老化与年轻化，以及预变形引起的包辛格效应等一系列现象。相关研究成果以“A mean-field shear transformation zone theory for amorphous polymers” 为题发表在International Journal of Plasticity期刊上。

图1 A mean-field shear transformation zone theory for amorphous polymers

  如图2所示，剪切转变区STZ为非晶态聚合物材料内部无规则排列的分子团簇，随着材料宏观变形，微观STZ受剪力作用发生取向变化进而产生相应的塑性流动，因此宏观塑性变形来源于大量微观STZ剪切转变的累积。文章首先推导得到了二维情况下STZ剪切转化速率与塑性流动的解析关系。而后引入等效温度理论表征材料内部的活跃程度，采用Adam-Gibbs模型建立剪切转化速率与等效温度的关系。最后，关联剪切转变区内分子链构象熵与剪切转变能垒，来描述STZ自身变形对剪切转变速率的影响。最终构建了基于STZ剪切转变微观机理的粘塑性理论框架。

图2 剪切转变区理论示意图

  如图3所示，等效温度演化可以准确描述非晶态聚合物内部非平衡态热力学状态在不同温度条件下的变化。在室温298 K条件下，等效温度在热处理阶段下降，表明材料发生了老化，应力应变曲线出现明显的应力屈服；在高温环境下373 K，等效温度趋近于环境温度，材料的应力响应表现出粘弹性。

图3 (a)-(c)等效温度在不同温度下的演化情况; 模型预测不同温度下PETG单轴压缩应力应变关系，与实验结果吻合

图4 包辛格效应的模型预测与实验结果对比：（a）单轴拉伸-单轴压缩循环载荷；（b）单轴拉伸-卸载-再拉伸

图5 预拉伸非晶态聚合物样品再拉伸和再压缩对比：（a）应力应变曲线；（b）STZ密度变化；（c）STZ取向变化;（d）STZ取向分布示意图。

  定量描述非晶态聚合物包辛格效应（Bauschinger effect）是本构建模的长期以来的难点。本文作者提出的剪切转变区模型能够准确预测实验中的这一现象（图4）：预拉伸的试样在承受压缩变形时，屈服应力与拉伸时屈服应力相当；预拉伸卸载后再拉伸，其屈服应力明显增加，且与预拉伸幅度呈正相关。通过对比预拉伸试样再拉伸和再压缩应力应变曲线，可以发现预变形的材料在不同加载方向上具有不同的屈服强度（图5）。在预拉伸过程中，STZ密度由于在塑性功的作用下快速增加，STZ逐渐出现极化取向；当材料变形到一定程度，STZ剪切转化速率受塑性变形抑制，导致取向极化减弱以及塑性流动降低，从而产生应变硬化。在再拉伸过程中，已经沿着拉伸方向极化的STZ更不容易发生偏转，因而需更高的屈服应力来产生STZ进而诱导的塑性流动；而在再压缩过程中，STZ极化方向发生了改变，因此预变形基本不影响屈服应力。基于剪切转变区理论建立了二维微观粘塑性本构模型，统一描述了非晶态聚合物在不同加载条件和加载形式下的应力响应，成功描述了物理老化、玻璃化转化、包辛格效应等复杂特性，为全面描述非晶态聚合物的本构行为提供了一个有效的理论框架。

  论文第一作者为宁波大学压电实验室林骥副研究员，通讯作者为浙江大学航空航天学院肖锐研究员，本文合作者还包括浙江大学航空航天学院钱劲教授和宁波大学压电实验室王骥教授。压电实验室团队在剪切转变区理论建模方面的前期工作还包括Extreme Mechanics Letters 2022, 52, 101667和Journal of the Mechanics and Physics of Solids 2022, 168, 105046。

相关论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103556

https://doi.org/10.1016/j.eml.2022.101667

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2022.105046