聚合物網絡的非仿射變形是理解橡膠宏觀變形與微觀網鏈結構和變形的關鍵機制，是探索橡膠類聚合物非線性力學行為的重要現象。雖然現有的研究為理解橡膠類聚合物的非仿射變形奠定了物理框架，比如著名的p-chain模型認為，聚合物可以被概念化為許多似晶格的組合，每個晶胞都包含特定的鏈結構。但宏觀變形和微觀網絡變形之間的跨尺度效應仍未得到充分闡明。這強調了深入探究聚合物網絡非親和性的必要性。
圖1. 宏觀和微觀變形的差異導致聚合物網絡需要額外的運動或者變形以協調多尺度變形，其中小角度中子衍射結果認為聚合物鏈的微觀變形僅為宏觀變形的1/3（Pearson, Scattered Intensity from a Chain in a Rubber Network）。
近期，湘潭大學機械工程與力學學院的青年教師邢子彧提出了微觀變形需要額外的運動以填補非仿射變形導致的宏觀微觀變形差異。該模型假設聚合物網絡的變形包括兩部分：交聯點的非仿射運動和聚合物blobs的附加運動。基于p鏈模型，聚合物被概念化為經歷初始phantom變形的均勻晶胞的聚集體，隨后是與宏觀變形對齊的額外運動。通過phantom網絡、動能和變形梯度分析了聚合物團塊的坍塌。官能度（f）和柯西格林應變張量的第二不變量（I2）被確定為理解非仿射變形的關鍵因素。使用硫化天然橡膠、PAAm水凝膠和P（BMA-co-MEA）-Li彈性體的實驗數據驗證了所提出的模型。結果表明，理論預測和實驗觀測之間存在很強的一致性。這項研究為橡膠類聚合物的非線性力學行為提供了新的見解，并為預測其在不同變形條件下的響應提供了一個穩健的框架。
該工作以“A nonaffine model of rubbery polymers for exploring functionality dependence and blob motion of networks”為題發表在Macromolecules上。文章第一作者和通訊作者是湘潭大學講師邢子彧博士。該研究得到大連長豐實業公司的劉曉暉技術員的硬件支持。
圖2. 與Treloar的經典數據的對比結果。
圖3.應變不變量與官能度f的依賴關系。（a）Ogden型應變能密度與f之間的依賴性。（b）第二應變不變量I2與f之間的依賴性。
湘潭大學青年教師邢子彧是湘潭大學力學系，工程力學方面趙榮國教授和材料力學方面劉運牙教授團隊的青年講師，該工作團隊長期以來關注橡膠類軟物質的本構研究和應用，還特別關注聚合物的流變學和力化學效應。關于聚合物的本構理論方面，發展了網絡模型（I. J. of Solids and Structures 2025 316:113393）和雙重四鏈模型（I. J. of Non-Linear Mechanics 2025 175:105122），解決了p-chain模型中的周期性和力矩效應等分析的不足。深入探索了聚合物在復雜載荷環境中的損傷和力化學效應，發展了網絡蝕變理論（I. J. of Engineering Science 2025 216: 104359）和離子力化學效應（J. Appl. Polym. Sci., 2025, 142:e56974），給出了力化學效應和損傷中聚合物構象變化的一種模式。針對聚合物流變學方面，建立了分形流變學（Mater. Today Commun. 2025 46:112722）、非共價約束聚合物的流變學（Polymer International, 2025, 74:727-738）、并分析了聚合物的non-Markov效應（J. Phys. D: Appl. Phys., 2025, 58: 115305）。針對新型材料系統和聚合物相轉變引起的力學和流變學變化，探索了應力誘導結晶中的構象熵變化（Mechanics of Materials 2025 210: 105478），還探索了slide-ring網絡的自由能自發平衡（Polymer 2025 328:128451）和雙重交聯理論（Physica A, 2025, 663:130458），為slide-ring系統的滑輪效應和懸掛效應提供了一個熱力學一致的見解。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c01987
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