[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究揭示，冲击加载通过聚合物主链上的快速二面角旋转，在非晶态聚苯乙烯中诱导出瞬态熔融，该过程由大剪切应力驱动。这导致皮秒量级的应力松弛——超过玻璃化转变阈值——随后系统恢复至非晶态行为，表明在高应变率下，链段运动被机械激活，与传统预期的高应变率下玻璃性增强的观念相反。

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.

研究动机与目标

• 研究玻璃态聚合物在超快冲击加载下的分子尺度应力松弛机制。
• 解决在高应变率下，聚合物在玻璃化转变温度（Tg）以下表现出瞬态类流体行为的悖论。
• 确定大剪切应力是否能诱导玻璃态聚合物发生临时熔融及快速松弛。
• 阐明主链二面角转变（BTTEs）在冲击压缩过程中应力松弛动力学中的作用。
• 比较瞬态与稳态松弛行为，识别瞬态熔融占主导的条件。

提出的方法

• 使用LAMMPS的分子动力学（MD）模拟，采用Dreiding力场和Gasteiger部分电荷。
• 在800 K下平衡系统，随后逐步冷却至300 K，形成具有实验一致的Tg和密度的非晶态。
• 通过多尺度冲击技术（MSST）模拟冲击加载，粒子速度范围为0.3至4.1 km/s。
• 随时间和空间分析剪切应力、Von Mises应力及主链扭转转变（BTTEs）。
• 通过大规模非平衡分子动力学（NEMD）模拟结合Eulerian分箱方法验证应力和BTTE活动在空间与时间上的趋势。
• 将瞬态与稳态BTTE速率与环境压力下的Tg阈值进行比较，以识别瞬态熔融。

实验结果

研究问题

• RQ1 冲击加载过程中产生的大剪切应力是否能在玻璃态聚合物的Tg以下诱导出瞬态熔融？
• RQ2 主链二面角旋转（BTTEs）在超快冲击加载下的应力松弛中起什么作用？
• RQ3 在不同冲击强度下，瞬态BTTE速率与稳态速率及Tg阈值相比如何？
• RQ4 为何系统在环境条件下为非晶态，却表现出快速应力松弛？
• RQ5 瞬态熔融过程的时间尺度和空间范围如何？其如何衰减回非晶态行为？

主要发现

• 非晶态聚苯乙烯中的瞬态熔融由冲击波前附近大剪切应力诱导的快速二面角旋转（BTTEs）驱动。
• 当冲击速度超过1.5 km/s时，瞬态阶段的BTTE速率超过Tg阈值一个数量级以上，表明出现瞬态类流体行为。
• 应力松弛发生在皮秒时间尺度的瞬态阶段，远快于玻璃态材料预期的长松弛时间尺度。
• 瞬态松弛阶段迅速衰减，剪切应力的松弛时间尺度比稳态非晶态区域短一个数量级以上。
• 当冲击粒子速度略低于1.5 km/s时，观察到瞬态熔融的起始，此时瞬态BTTE速率超过Tg阈值。
• NEMD模拟证实BTTE爆发与快速剪切应力松弛区域之间存在空间相关性，验证了MSST结果。