仿彈性蛋白高分子材料的粘彈性力學性能研究

《仿彈性蛋白高分子材料的粘彈性力學性能研究》是依託重慶大學，由唐山擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：仿彈性蛋白高分子材料的粘彈性力學性能研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：唐山
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

針對仿彈性蛋白高分子材料在複雜受力和含水及無水條件下的粘彈性力學性能進行研究。基於仿彈性蛋白高分子材料的微觀結構，建立高分子鏈和水混合的分子動力學模型，研究仿彈性蛋白高分子材料在含水或無水情況下的高分子鏈變形、鏈間相互作用及水和高分子鏈間的相互作用。根據分子動力學模擬結果，進行統計分析,計算水和高分子鏈的相互作用能，並建立單高分子鏈受動態約束下的統計力學模型。借鑑連續介質力學的均勻化方法，統計平均高分子鏈的力學行為，建立材料的巨觀本構模型，最後將其與實驗測試結果進行對比分析。同時提出高效的數值計算方法，以解決統計平均過程難以得到封閉理論解的問題。最終實現仿彈性蛋白高分子材料力學性能的有效表征。研究結果可為化學合成仿彈性蛋白高分子材料提供指導，並為其在生物醫療、能源收集及工程套用中的複雜結構設計提供理論依據。

結題摘要

仿彈性蛋白是模仿天然彈性蛋白的含水高分子材料。其高分子鏈和水分子存在複雜的互動作用。其巨觀力學性質，主要表現為超強的彈性和粘性。對其粘彈性力學性能的全面刻畫和表征，具有重要的理論和套用意義。本項研究結合實驗、分子動力學和巨觀力學模型全面刻畫了含水高分子材料的粘彈性力學性能,進行了如下研究： 1. 實驗測試和表征 申請人和天津大學化工系教授羅加嚴合作，製備了不同結構和含水量的含水高分子材料，在不同含水量下對不同結構的含水高分子材料的拉伸/壓縮特性和破壞模式進行測試，獲得不同含水量下彈性參數、強度和破壞模式等隨含水量的變化規律；在不同含水量下，進行載入卸載實驗，獲取材料的粘性性質。並進行了含水高分子材料的吸水測試。 2. 基於分子動力學模擬的微觀物理機理研究和參數獲取 基於單分子鏈模型生成了多高分子鏈模型。基於多高分子鏈模型，採用分子動力學軟體Material Studio中高分子鏈之間、水分子以及水分子和高分子相互作用勢函式，套用退火最佳化技術，進行了分子動力學模擬。對分子動力學模擬結果進行統計分析，分析不同含水量下水和高分子鏈相互作用的物理機理，並獲取巨觀力學模型所需的定量參數。 3. 巨觀力學模型 建立單高分子鏈在其他鏈約束下的統計力學模型，獲取單鏈力和伸長之間的關係。利用單鏈力和伸長的關係，對多鏈的力學行為進行統計平均，獲取多高分子鏈的平均自由能。將水和高分子鏈相互作用自由能和多鏈平均自由能疊加，與巨觀變形聯繫，建立含水高分子材料的粘彈性巨觀本構模型。 本研究將實驗、數值計算和理論推導相結合，在多尺度計算模擬框架下研究了含水高分子材料的粘彈性力學性能，為如何從底層高分子鏈的運動來描述高分子材料的巨觀粘彈性力學性能這一難題提供了新思路。本項目研究工作發表在包括軟物質材料的頂級期刊，Advanced Energy Materials、Soft Matter，固體力學頂級期刊JMPS,IJP等重要國際期刊，發表標註資助號的期刊論文15篇。