在高分子材料凝胶化转变、聚烯烃反应挤出、纤维复合材料的液态模塑成型等有代表性的材料制备过程中,定量揭示了高分子材料工业化制备过程-微观结构-宏观性能-力学行为的相关性及其规律,建立了制备过程的优化设计系统。近五年来以第1或通讯作者在Polymer、Journal of Chemical Physics、Materials Science and Engineering A-Structural Materials等期刊上发表了30余篇SCI收录论文,以第1或第2完成人被国家版权局授予了4项计算机软件著作权,在2010年12月以第1完成人获得了1项省部级科学技术奖励(一等奖)。 具体阐述如下: (1): 凝胶化转变过程-微观交联结构-宏观性能-力学行为的相关性分析 无论是化学凝胶化转变(如,橡胶的热硫化成型),还是物理凝胶化转变(如,明胶的冷致凝胶化转变),高分子凝胶化转变是典型的非晶液-固转变过程,是特殊相互作用导致的分子链之间连通性的突变,其转变机理和凝胶结构相当复杂。因此,高分子凝胶化转变机理、结构和性能研究一直是高分子科学和凝聚态物理领域关注的焦点。 本课题组采用有限元方法和增量理论,数值模拟了高分子凝胶的化学凝胶化、物理凝胶化转变过程,揭示了凝胶材料的宏观物理力学性能-微观交联结构-凝胶化转变条件的相关性及其规律,进而建立了凝胶化转变过程的优化设计系统,实现了在复杂凝胶化转变条件下的交联反应控制、微观结构控制以及宏观物理力学性能调控。 在本部分,本人以第1或通讯作者在国际重要期刊上发表了11篇SCI收录论文:Polymer, 2002, 43: 7515、Polymer, 2003, 44: 319、Polym-Plast Technol, 2003, 42: 883、Acta Mater, 2004, 52: 4153、Polym Int, 2004, 53: 41、Macromol Theor Simul, 2009, 18: 268、Eur Polym J, 2009, 45: 1759、Polymer, 2009, 50: 2181、Polymer, 2009, 50: 6186、J Chem Phys, 2010, 133: 114904和J Mech Behav Biomed Mater, 2011, 4: 1328。本人以第1或第2完成人被授予了2项计算机软件著作权:异戊橡胶硫化工艺仿真软件(授权号2009SR056582)、搪塑工艺的凝胶化过程仿真软件(授权号2011SR023417)。 (2): 聚烯烃材料的反应挤出-结构-性能的相关性分析 在反应挤出过程中,扩散限制的化学反应、伴随化学反应的多相聚合物体系形态的生成与演变、材料体系的化学流变等过程基本上是在封闭状态下进行的。因此,现场、实时研究体系的化学反应动力学过程、多相聚合物体系形态生成动力学过程、化学流变规律、聚合体系的物理化学性能演变规律等科学问题非常困难,阻碍了该技术在国民经济建设中应有的重要作用的发挥。解决上述问题的有效方法之一是开展反应挤出过程的数值模拟和优化设计。 本课题组通过反应挤出过程的数值模拟和优化设计,定量地揭示了在非等温、非等压的复杂加工条件下化学反应对高分子材料结构和流变行为的影响规律,分析了化学热效应、凝胶效应、黏性耗散热效应等复杂而重要的现象,实现了反应挤出过程的化学反应控制、材料结构控制、流体流变性质调控以及极限加工条件的预测。 在本部分,本人以第1或通讯作者在国际重要期刊上发表了10篇SCI收录论文:Polym-Plast Technol, 2005, 44: 447、Polym-Plast Technol, 2006, 45: 1257、Polym Int, 2007, 56: 1553、Mat Sci Eng A, 2007, 454: 221、Polym Eng Sci, 2007, 47: 667、Macromol Theor Simul, 2007, 16: 785、Macromol React Eng, 2007, 1: 321、J Mater Process Tech, 2008, 199: 56、Polym Bull, 2011, 67: 1059和Mater Chem Phys, 2011, doi:10.1016/j.matchemphys.2011.06.054。本人以第1完成人被授予了1项计算机软件著作权:塑料反应挤出工艺仿真软件(授权号2009SR055048)。在2008年以第1著者完成的《聚合反应挤出过程的有限体积模拟》作为《21世纪科学版化学专著系列-高分子材料的反应加工》的第4章在科学出版社出版。 (3): 纤维复合材料制备过程-微观/细观结构-宏观性能-破坏的相关性分析 “大型飞机”、“高分辨率对地观测系统”等国家重大专项以及材料科学技术的“结构功能复合化、制备和使用过程绿色化”发展趋势,从国家需求和材料科学技术发展两个层面共同提出了纤维复合材料研究的战略性和必要性。针对纤维复合材料在航空航天等领域大规模应用的瓶颈问题,深入研究复合材料制备-结构-性能的相关性,具有重要的科学意义和工程价值。 本课题组根据树脂浸润纤维织物的多层次特点,在细观层次上建立了树脂在纤维束内与束间耦合流动的新模型,在宏观层次上建立了树脂在纤维预制体与模腔边缘区域耦合流动的新模型,发展了边缘通道宽度、树脂黏度、化学反应速率与程度等因素对流动前沿、树脂压力和充填时间的影响规律,有助于纤维复合材料结构件的低缺陷、低成本制备工艺的优化设计。采用断裂影响叠加技术、有限元方法和Monte Carlo方法相集成的研究方案,发展了缺陷种类、含量及其分布对复合材料力学性能和破坏行为的影响规律,建立了复合材料结构-缺陷-性能之间的定量关系模型。 在本部分,本人以第1或通讯作者在国际重要期刊上发表了16篇SCI收录论文: Macromol Mater Eng, 2006, 291: 510、Mat Sci Eng A, 2006, 425: 178、Mat Sci Eng A, 2006, 435: 515、J Appl Polym Sci, 2007, 103: 64、Polym Compos, 2008, 29: 649、Polym Compos, 2008, 29: 964、Mat Sci Eng A, 2008, 478: 384、Macromol Mater Eng, 2008, 293: 194、J Appl Polym Sci, 2009, 113: 3815、J Compos Mater, 2009, 43: 2623、J Reinf Plast Compos, 2010, 29: 1224、J Appl Polym Sci, 2010, 118: 1014、Polym Compos, 2010, 31: 1457、Polym Compos, 2011, 32: 648、J Compos Mater, 2011, DOI: 10.1177/0021998311413684和J Inorg Organomet Polym, 2011, DOI 10.1007/s10904-011-9565-8。本人以第2完成人被授予了1项计算机软件著作权:纤维增强聚合物基复合材料概率破坏仿真软件(授权号2009SR055310)。 |