玻璃态聚合物中裂纹尖端演化的纳米尺度机制：混合粒子-连续介质模拟

《Soft Matter》：Nanoscale mechanisms of crack-tip evolution in glassy polymers: hybrid particle-continuum simulations

理解聚合物纳米尺度裂纹机制对于预测其宏观性能至关重要。然而，裂纹尖端的高局部应力导致非线性、时变效应，使断裂行为复杂化。本文提出的混合粒子-连续体方法通过多尺度耦合，克服传统理论和实验方法的局限。在平面应力和平面应变条件下，中心裂纹试样的裂纹扩展呈现不同特征：平面应力下裂纹尖端钝化且伴随高塑性变形区；平面应变下发生 cleavage 和 crazing。研究揭示了两种载荷下裂纹生长的特定应力状态。

　　

理解聚合物中的纳米尺度裂纹机制对于预测其宏观性能非常重要。然而，裂纹尖端附近的高局部应力会引入非线性和时间依赖性效应，从而使得断裂行为变得复杂。我们的混合粒子-连续介质方法通过整合多种分辨率，提供了一种有前景的解决方案，以克服传统断裂理论和实验方法的局限性。我们使用粗粒化分子动力学模拟来模拟裂纹尖端，将其余部分视为连续介质，从而能够准确再现聚合物的行为，并实现与实验室断裂测试相似的真实边界条件。我们对中心裂纹试样施加了两种不同的加载条件：平面应力和平面应变。我们的研究结果展示了独特的裂纹生长模式：在平面应力作用下，我们观察到裂纹尖端变钝，并伴随着较大的塑性变形区域；而在平面应变作用下，裂纹扩展伴随着裂纹扩展（crazing）现象。此外，我们还确定了在每种加载情况下，引发和驱动裂纹生长及其形状的具体应力状态。