高分子在界面的动力学行为的调控

We propose to study chain dynamics of polymer at the interface of composites, to investigate glass transition under confinements, and to reveal the interfacial strain and stress formed by the volume changes during cooling process. We shall calculate the differences of thermal expansion coefficient under different cooling rates, and to compare the differences in thermal expansion between polymer and metals or inorganic materials, especially the mismatch of thermal expansion coefficients before and after glass transition. We shall try to understand interfacial cracking of composites based on the mismatch of thermal expansion coefficients. The result will give a guide for design stable engineering composites within a large temperature range (-50 ~ 180 ℃). At the same time, this understanding can be applied to prepare “nano-molding technology (NMT)”, to design a suitable cooling process, to get super light composites with high strength. This project will also enrich polymer physics, and help people to get better understanding of glass transition.

本项目拟研究界面高分子链在降温过程中的动力学行为，和界面受限态的玻璃化转变，探索复合材料在降温过程中体积变化生成的界面应变和应力。计算不同降温速率下热膨胀系数的变化，比较高分子与复合的金属或非金属热膨胀系数的差别，着重研究玻璃化转变前后的热膨胀系数的失配，以及在不同降温速度下产生的界面应力。从高分子玻璃化转变及复合材料热膨胀系数失配这一角度理解高分子复合材料界面开裂的物理原理，为设计高效和耐温的粘接剂、偶联剂提供理论基础。从而指导开发出在较大温度范围（-50 ~ 180 ℃）内强度稳定的工程复合材料。同时，将同一原理应用到“纳米注塑成型技术（NMT）”中，设计出合理的温度控制过程，从而使高分子在基底表面的微/纳米级凹坑中形成良好的“锚栓”效应，为设计超轻、高强复合材料提供理论依据。本项目的研究成果还将丰富高分子物理知识，加深对玻璃化转变的科学内涵的认识。

本项目中，我们以聚合物受限于阳极氧化铝为模型体系，模拟计算得到了不同降温速率下，基于热膨胀系数失配而导致的高分子与无机基底之间热应力的大小；创新性的发展了一种界面FRET荧光方法，可用于表征不同降温速率下高分子链与无机基底的界面结合形态的变化，同时，量热学和宽频介电谱的研究结果表明，通过对孔径大小、界面化学性质、以及降温过程中热应力的控制，可实现受限于孔道内高分子链凝聚态结构和链段动力学行为的调控，相关的研究工作一方面丰富了高分子复合材料界面开裂的物理原理，为设计高效和耐温的粘接剂、偶联剂提供理论基础，另一方面被应用于指导高分子/金属直接复合的纳米注塑成型工艺的优化，形成牢固的“锚栓”效应，得到结合强度优于目前工业生产的相关产品，具有较好的应用前景。