玻璃态聚合物在准等熵单轴应变拉伸下的速率依赖性变形与失效机制：基于分子动力学的速度判据研究

这篇研究采用准等熵（QI）技术和全原子分子动力学（MD）模拟，系统揭示了聚酰亚胺（PI）在108-1015 s-1应变率范围内的动态拉伸行为三阶段特征：低速率（108-1011 s-1）的空穴化-银纹机制、中速率（1011-1014 s-1）的均匀变形-链间解聚，以及高速率（>1014 s-1）的链断裂。创新性提出变形速度（VD）与热速度（VT）对数比的速度判据，为极端载荷下聚合物设计提供理论依据。

　　

Highlight

本研究通过全原子分子动力学（MD）模拟揭示了聚酰亚胺（PI）在极端应变率（10⁸-10¹⁵ s^-1）下的三阶段变形特征：低速率时空穴化银纹主导，中速率转变为均匀变形伴随链间解聚，高速率则发生分子链直接断裂。最大拉伸应力呈现慢-快-饱和的三段式增长，与实验数据高度吻合。

Simulation model

采用LAMMPS软件构建PMDA/ODA型聚酰亚胺（PI）模型，其玻璃化转变温度（T_g）达657-713K。通过准等熵（QI）技术模拟单轴应变拉伸，排除冲击压缩阶段干扰，聚焦纯拉伸行为研究。原子轨迹通过OVITO可视化，力场选用PCFF+修正项以准确描述分子间相互作用。

Rate-dependent stress-strain response

应力-应变曲线明确划分为三阶段：阶段I（<10¹¹ s^-1）呈现典型屈服软化，阶段II（10¹¹-10¹⁴ s^-1）显示应变硬化，阶段III（>10¹⁴ s^-1）表现为脆性断裂。有趣的是，拉伸强度（σ_max）与应变率（ε?）呈幂律关系：σ_max ∝ ε?^0.12（阶段I）→ε?^0.38（阶段II）→ε?^0.05（阶段III）。

Velocity criterion for rate-dependent deformation of polymer

创新性提出速度失配理论：当变形速度（V_D）超越原子热运动速度（V_T）时，分子链失去弛豫能力。通过log(V_D/V_T)判据定量预测三阶段转变阈值：<-1.5（阶段I），-1.5~0.5（阶段II），>0.5（阶段III）。该判据成功统一解释了应变率依赖性的物理本质。

Conclusions

研究证实玻璃态聚合物的动态拉伸响应具有显著应变率依赖性：低速率下空穴化主导（能量耗散机制），中速率转变为分子链协同运动（熵弹性主导），高速率下共价键断裂成为控制因素。建立的速度判据为设计抗极端载荷聚合物提供了全新分子尺度指导原则。