[논문 리뷰] Deviatoric Stress Driven Transient Melting Below the Glass Transition Temperature in Shocked Polymers

Jalen Macatangay, Brenden W. Hamilton외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 05.

Polymer crystallization and properties참고 문헌 57인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 초음속 압축 하중이 고리성 폴리스티렌에서 고리성 상태를 유지하면서도 고속의 이면각 회전을 유도함으로써 일시적인 융해를 유도하는 것으로 밝혀냈다. 이는 큰 비대칭 응력에 의해 유도되며, 이는 피코초 수준의 응력 완화를 초래하며 유리 전이 온도(Tg) 이론적 기준을 초월한다. 이후 시스템은 다시 고리성 거동로 복귀한다. 이는 기존의 고속 변형에서의 유리성 증가 기대와는 반대로, 기계적 자극이 세그먼트 동역학을 활성화함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초음속 충격 하중 하에서 고리성 고분자의 분자 척도 응력 완화 메커니즘을 규명하는 것.
• 고속 변형에서 유리 전이 온도(Tg) 이하에서도 일시적인 유체 유사 거동을 보이는 고분자에서의 역설을 해결하는 것.
• 큰 비대칭 응력이 고리성 고분자에서 일시적인 융해와 빠른 완화를 유도할 수 있는지 확인하는 것.
• 충격 압축 중 응력 완화 동역학에서 고분자 사슬의 이면각 전이(BTTEs)의 역할을 명확히 하는 것.
• 일시적 및 정상 상태 완화 거동을 비교하고, 일시적 융해가 지배하는 조건을 규명하는 것.

제안 방법

• Dreiding 힘장과 Gasteiger 부분 전하를 사용한 LAMMPS 기반 분자 동역학(MD) 시뮬레이션.
• 800 K에서 시스템을 평형화한 후, 실험적으로 일관된 Tg와 밀도를 갖는 고리성 상태를 형성하기 위해 점진적으로 냉각.
• 입자 속도 0.3~4.1 km/s 범위에서 다스케일 충격 기법(MSST)을 사용해 충격 하중을 시뮬레이션.
• 시간과 공간에 따른 비대칭 응력, von Mises 응력 및 고분자 사슬의 비틀림 전이(BTTEs) 분석.
• Eulerian binning을 사용한 대규모 비평형 MD(NEMD) 시뮬레이션을 통해 응력과 BTTE 활동의 공간적·시간적 경향성을 검증.
• 일시적 및 정상 상태 BTTE 비율을 기준 압력 상태의 Tg 기준과 비교하여 일시적 융해를 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 충격 하중 중에 발생하는 큰 비대칭 응력이 고리성 고분자에서 Tg 이하에서도 일시적 융해를 유도할 수 있는가?
• RQ2 초음속 충격 하중 중 응력 완화에 있어 고분자 사슬의 이면각 회전(BTTEs)의 역할은 무엇인가?
• RQ3 다양한 충격 강도에서 일시적 BTTE 비율은 정상 상태 비율과 Tg 기준과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 기본 상태에서 고리성 상태에 있는 시스템이 왜 빠른 응력 완화를 보이는가?
• RQ5 일시적 융해 과정의 시간 상한과 공간 범위는 무엇이며, 어떻게 고리성 거동으로 복귀하는가?

주요 결과

• 고리성 폴리스티렌의 일시적 융해가 충격면 근처에서 큰 비대칭 응력에 의해 유도된 고속의 이면각 전이(BTTEs)에 의해 발생한다.
• 1.5 km/s 이상의 충격에서 BTTE 비율은 Tg 기준을 10배 이상 초과하여 일시적인 유체 유사 거동을 나타낸다.
• 일시적 단계 동안 응력 완화가 피코초 수준의 시간 척도에서 발생하며, 고리성 물질에서 예상되는 장기 완화 척도보다 훨씬 빠르다.
• 일시적 완화 단계는 빠르게 감소하며, 비대칭 응력의 완화 척도는 정상 상태 고리성 영역보다 수 개의 주기만큼 짧다.
• 일시적 융해의 시작은 충격 입자 속도가 약 1.5 km/s 이하에서 관찰되며, 이때 일시적 BTTE 비율이 Tg 기준을 초과한다.
• NEMD 시뮬레이션은 BTTE 폭발과 빠른 비대칭 응력 완화 영역 간의 공간적 상관관계를 확인하여 MSST 결과를 검증한다.