[論文レビュー] Deviatoric Stress Driven Transient Melting Below the Glass Transition Temperature in Shocked Polymers

Jalen Macatangay, Brenden W. Hamilton+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Polymer crystallization and properties参考文献 57被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、ショック負荷が、高ひずみ率下でのポリマー骨格に沿った急速な二面角回転によって、ガラス状ポリスチレンに一時的融解を引き起こすことを明らかにした。これは、大きな歪歪み応力によって駆動されるものであり、ピコ秒スケールの応力緩和が発生する。これはガラス転移温度の閾値を超えるものであり、その後、ガラス状の挙動に戻る。これは、通常の高ひずみ率下でのガラス性の増強という期待とは反して、セグメントの動的挙動が力学的に活性化されることを示している。

ABSTRACT

The relaxation of polymers around and below their glass transition temperature is governed by a range of correlated unit processes with a wide range of timescales. The fast deformation rates of shock loading can negate a significant fraction of these processes resulting in the dynamical glass transition in rubbers. In this letter we report the inverse, a transient melting of glassy polymer under shock loading. The large deviatoric stresses near the shock front induce fast transitions in backbone dihedral angles and a stress relaxation characteristic of polymer melts. This is followed by the slower relaxation expected for glasses.

研究の動機と目的

• 超高速ショック負荷下におけるガラス状ポリマーの分子スケールの応力緩和機構を調査すること。
• 高ひずみ率下でガラス転移温度（Tg）未満のポリマーが一時的流動的挙動を示すというパラドックスを解明すること。
• 大きな歪歪み応力が、ガラス状ポリマーに一時的融解と急速な緩和を引き起こすかどうかを特定すること。
• ショック圧縮中の応力緩和ダイナミクスにおける骨格二面角遷移（BTTEs）の役割を明確にすること。
• 一時的および定常状態の緩和挙動を比較し、一時的融解が支配的になる条件を同定すること。

提案手法

• Dreiding力場とGasteiger部分電荷を用いたLAMMPSにおける分子動力学（MD）シミュレーション。
• 800 Kで平衡化後、段階的冷却を経て300 Kに冷却し、実験的に整合するTgと密度を持つガラス状態を形成。
• 粒子速度が0.3〜4.1 km/sの範囲で、マルチスケールショック技術（MSST）を用いてショック負荷をシミュレート。
• 時間的・空間的変化について、歪歪み応力、von Mises応力、および骨格ねじり角遷移（BTTEs）の分析。
• Eulerianバインディングを用いた大規模NEMDシミュレーションにより、応力とBTTE活動の空間的・時間的傾向を確認し、妥当性を検証。
• 一時的および定常状態のBTTE率を、環境圧力下のTg閾値と比較し、一時的融解を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ショック負荷中に発生する大きな歪歪み応力が、Tg未満のガラス状ポリマーに一時的融解を引き起こすか？
• RQ2 超高速ショック負荷下での応力緩和において、骨格二面角回転（BTTEs）が果たす役割は何か？
• RQ3 さまざまなショック強度下で、一時的BTTE率は定常状態の率やTg閾値と比べてどうなるか？
• RQ4 環境条件下でガラス状態にあるにもかかわらず、なぜ迅速な応力緩和が観察されるのか？
• RQ5 一時的融解プロセスの時間スケールと空間的範囲は何か？そして、ガラス状挙動に戻るまでの減衰様式は？

主な発見

• ガラス状ポリスチレンにおける一時的融解は、ショック波面付近の大きな歪歪み応力によって誘発される急速な二面角回転（BTTEs）によって駆動される。
• 1.5 km/sを超えるショックでは、一時的BTTE率がTg閾値を10倍以上上回り、一時的流動的挙動を示す。
• 一時的遷移状態では、ピコ秒スケールで応力緩和が発生し、ガラスでは予想される長時間の緩和スケールよりも著しく速い。
• 一時的緩和状態は急速に減衰し、歪歪み応力の緩和時間スケールは、定常状態のガラス的状態と比べて桁違いに短い。
• 一時的融解の始まりは、1.5 km/s未満のショック粒子速度で観察され、その際、一時的BTTE率がTg閾値を超える。
• NEMDシミュレーションにより、BTTEバーストと高速な歪歪み応力緩和領域との空間的相関が確認され、MSSTの結果が妥当であることが裏付けられた。