多晶型高分子材料微区结构与性能研究

The relationship between structure and mechanical properties of polymorphism polymers stands an important status in the field of polymer research for a long time，however，the structure evolution of micro-domain during deformation and the corresponding change in mechanical properties is rare to be reported. The macroscopic deformation theory and simulation which depend on continuum mechanics cannot apply to micro-domain totally, because the deformation in micro/nano scale is not the downscaling of traditional mechanism. In this research, the mechanical property in micro-domain during phase transition of Poly (1-butylene) will be studied by nanoindentor, while the FTIR and synchrotron radiation scanning X-ray will be used to detect the structure evolution. Also, molecular dynamic simulation will be carried out to modeling the constitutive equation during phase transition. This project is aimed at developing a method applying to more polymers with polymorphism, and providing ideas for manipulating morphology and realizing high-performance of materials.

多晶型高分子材料结构与性能关系一直以来都是高分子研究领域的重要课题，然而材料微区在变形过程中结构的演化以及对应力学性能的变化迄今却鲜有研究。材料在微纳米尺度的变形行为不可能是传统变形机理的简单缩小，所以依赖于经典连续介质力学建立起来的宏观变形理论和模拟都无法对材料微区进行描述。本项目拟利用纳米压痕技术研究聚（1-丁烯）发生晶型转化过程中微区的力学性能，并通过红外光谱和同步辐射微焦点X射线衍射观察受到纳米压痕外场刺激后材料响应过程中微区结构的演化过程，从而建立起微纳米尺度结构与性能的关系。同时进行纳米压痕的分子动力学模拟，建立起在相转变过程中材料的本构方程。本研究的最终目的是建立一套微纳区域结构与性能研究方法，并推广应用至更多的多晶型高分子材料，为实现材料的形态结构调控和高性能化提供思路。

结构与性能关系一直都是高分子材料领域的重要课题。针对半结晶高分子材料多尺度、多晶型而且非均匀的特点，在本工作中，我们采用能够直接对微纳米区域进行检测的手段对两种多晶型高分子材料（聚丁烯-1和聚乳酸）进行研究，旨在建立微纳米区域的结构域性能关系：一、利用原位傅里叶变换红外光谱技术我们得到了聚丁烯在25至105 oC温度范围内拉伸条件下的相转变行为，并建立了外场功与转变率之间的动力学方程；二、我们将纳米压痕技术应用于高分子单个球晶的力学性能检测，与同步辐射微焦点X射线以及原子力显微技术得到的结构和形貌结合，建立了聚乳酸立构复合球晶结构与性能的关系，发现了立构复合球晶凹陷行为并且提出了新的晶体生长机理；三、利用数值模拟方法对单个球晶淬火过程进行分析，认为热应力的聚集是产生聚乳酸球晶上产生裂纹的主要原因。通过本项目研究，初步建立了一种能够对微区结构与性能进行检测的方法，对于解释外场耦合条件下材料结构的演化以及准确调控材料性能有着重要意义。