《Mechanics of Solid Polymers》1.6聚合物力学-1.7
1.6聚合物力学
前几节介绍了聚合物历史、化学和制造的不同方面。本节概述了本书的主题：聚合物力学。根据定义，聚合物力学涉及固体聚合物的力学行为。这一研究领域可以分为许多不同的子主题。以下是聚合物力学家常常感兴趣的一些常见问题的例子：
• 一个特定的聚合物在某种负载环境下可以表现出哪些不同的行为？
• 如何最好地用实验表征聚合物的力学响应？
• 一个特定的聚合物产品的性能会有多好？如何改善性能？
• 哪种聚合物最适合特定的应用？
为了回答这些问题，重要的是要理解聚合物材料、加工条件、材料微结构和负载环境之间的联系，以及所有这些因素如何影响聚合物产品的性能（图1.9）。聚合物力学的一个主题涉及用于实验性表征聚合物材料的工具和技术。另一个相关的主题是关于理论预测，可以通过传统分析或计算机来进行。
图1.9 聚合物产品的性能受材料类型、加工条件、材料微结构和施加的负载环境的影响
由于聚合物微结构的复杂性，当研究固体聚合物的行为时，使用计算机模拟变得越来越重要。这种研究材料响应的方法通常被称为计算机实验，因为可以用计算机模拟来替代耗时和昂贵的物理实验。聚合物力学的目标是发展对聚合物力学行为的理解，并开发工具来预测聚合物在不同负载环境下的观测到的力学响应。在这种情况下，聚合物力学与聚合物的生产过程中涉及的化学和流变学没有直接关系，也与创建聚合物组件所需的加工步骤没有直接关系。这种区分的主要原因是，制造过程中涉及的化学和流变学是与研究固体聚合物力学不同的主题。聚合物的生产、制造和加工在许多教科书[8-16]中都有详细讨论。由于分子结构的原因，聚合物在正常的加载环境下表现出许多不同类型的现象。一些更常见的行为如图1.10所示。
图1.10 当聚合物受到外部负载时，其响应类型
如图所示，当聚合物暴露在外部负载环境下时，其响应可能会呈现出许多不同的形式。一些常见和重要的行为有：蠕变、应力松弛、各向异性、纹理发展、屈服、塑性流动、粘弹性流动、环境退化、裂纹、断裂、磨损和疲劳。本书的目的就是解决这些问题。特别强调的是为什么会发生这些现象，以及如何预测和计算建模。有两种建模方法旨在捕捉这些现象。第一种方法，也是经典方法，是使用基于经验的现象学模型。例如，预测单轴单调加载下聚碳酸酯的拉伸破坏情况。通过进行足够数量的实验测试，可能可以证明Mises应力与观察到的破坏开始的显著相关性。聚合物力学家可能会以此为依据，认为Mises应力是聚碳酸酯的良好破坏预测准则，使用假设，即当试件中的Mises应力（通过有限元建模（FEM）或直接闭式计算获得）超过临界Mises应力时，就会发生破坏，其中临界Mises应力是一个材料参数。敏锐的读者可能会意识到，这可能不是一个好的模型。例如，如果聚合物组件变形速度快了100倍，这个破坏准则还能用吗？如果温度不同怎么办？如果组件在简单剪切中变形至破坏？在这些条件下，Mises应力准则仍然有效吗？所有这些问题都是严肃的，需要仔细地解决，然后才能将提出的破坏准则视为通用的破坏准则。这突出了现象学模型的主要局限性：现象学模型严格来说只适用于其验证的精确加载条件。这种限制在工业环境中经常被忽视，因为需要在短时间内以及有限的预算内得出答案通常会推动分析。
捕捉聚合物力学现象的第二种建模方法是使用微观力学模型。微观力学模型，根据定义，是使用材料微结构的信息和知识作为模型的基础。想象一下，我们有一个模型，它将应变与分子层面上的平均分子链伸长联系起来。那个模型对于预测一般加载模式和温度下的响应会更可靠。微观力学模型几乎总是优先于现象学模型，但由于分子微结构变形特性的复杂性，往往很难开发纯粹的微观力学模型。微观力学模型的想法是连接不同的长度尺度：如果我们理解驱动微观（或纳米）尺度上的变形行为的机制，那么我们如何利用这些信息来预测宏观或连续尺度上的行为？由于从不同长度尺度转换信息的挑战，已经开发出了许多模型，它们结合了微观变形力学和现象学方法。这些模型通常被称为受微观机制启发的模型，对于图1.10中展示的一些现象，它们目前是最准确的可用方法。
本书的剩余章节将讨论聚合物力学的这些不同方面，展示不同现象发生的机制以及如何预测它们。
1.7 练习
固体材料的三大主要类别是什么？
你如何定义聚合物，什么使聚合物独特？
给出几个不同聚合物的例子。
第一个人造聚合物是什么时候被创造出来的？
聚合物材料可以通过哪两种主要方式创建？
如果聚合物产品暴露在外部负载环境下，它可能的行为方式有哪些？
现象学模型和微观力学模型之间有什么区别？
