国家自然科学重大基金申请报告-聚合物反应加工过程的计算机模拟与仿真(编辑修改稿)

国家自然科学重大基金申请报告-聚合物反应加工过程的计算机模拟与仿真(编辑修改稿)内容摘要：

拟的结果相对照，验证和完善本构模型。  缺陷判据建立：预测特定加工条件（高温和高拉伸速率等）下，不发生缺陷应具备的自身分子结构特点和流体流变特性；预测给定反应加工制备的聚合物材料，无缺陷的极限加工条件（温度和拉伸或吹塑速率极限等）及拉伸与吹塑成型产品合理的厚度分布。  成型过程数值模拟普适性方法：针对模型体系实施上述研究方案 ,并实施进一步优化，给出聚合物材料拉伸和吹塑成型数值模拟的普适性模拟与仿真方法。 可行性分析： 上述实验、理论和计算机模拟方法，在文献中均有过类似研究的文献 报道，证明对反应加工方法制备的聚合物材料是可行的。 3. 本项目的创新之处 项目特色： 从微观（分子水平）、介观和宏观全方位模拟聚合物反应加工过程的化学反应（均聚、共聚、交联和降解反应）分子动力学过程和反应机理、伴随化学反应的多相聚合物形态生成过程和动力学机理、耦合化学反应的聚合物流体流动行为以及拉伸与吹塑成型过程。 实现聚合物反应加工过程的化学反应控制、形态结构优化、流体流动过程调控和拉伸与吹塑成型条件的遴选与极限加工条件的预测。 创新之处： (1) 借助 Monte Carlo 和分子动力学方法，模拟复杂物理条件下（ 高温、高压、高剪切和高粘度等），均聚与共聚反应的分子链生成过程；阐明其分子动力学过程和反应机理，明确与通常条件下聚合反应分子动力学和反应机理的区别；达到控制反应加工过程中聚合反应的目的。 (2) 运用 GinzburgLandau方程、流体力学理论和化学反应分子动力学理论，模拟伴随聚合、交联和降解反应的多相聚合物形态生成过程和流体流动过程；建立耦合聚合、交联和降解反应的形态结构和流体流动行为优化和调控的理论准则。 (3) 应用大变形有限元数值模拟方法，引入应变率、应变硬化和聚合物粘塑性的影响，模拟快速拉伸和吹塑成型过程；理 论上，确立反应加工方法制备的聚合物材料的最佳加工条件范围和无缺陷的极限加工条件，实现拉伸和吹塑加工成型过程的控制。 4. 年度研究计划及预测进展 20xx 年：  复杂外场条件下（高温、高压、高剪切和高粘度等），针对模型体系，完成建立 熔融接枝或嵌段聚合和降解反应 的分子动力学过程模拟，初步确立挤出均聚和共聚反应的分子动力学模型。  完成建立伴随简单化学反应的多相聚合物体系形态生成与演变的计算机模拟方法和基本程序；结合 GinzburgLandau方程，初步确 立伴随聚合（均聚、接枝和嵌段共聚）和降解反应的形态形 成 理论模型；进行优化数值离散方法筛选，编制计算程序与演示程序，尝试给出多相聚合物体系形态生成与演变过程的模拟计算结果。  完成耦合简单化学反应情况下，聚合物流体本构模型建立，进行耦合化学反应的聚合物流体流动行为模拟程序的编写，实施相应的模拟计算。  完成优选型坯的起始温度分布、厚度分布和加热条件；综合应变硬化、应变速率敏感、硬化指数及温度的影响，在大变形情况下，初步确立聚合物材料的本构模型。 20xx 年：  完成挤出均聚和共聚反应的分子动力学模型建立；针对模型体系，初步 模拟均聚反应、嵌段和接枝共聚反应、自身降解反 应等的 分子链生成过程、分子量分布及其它分子参数。  完成建 立伴随聚合和降解反应的形态生成 理论模型；初步模拟不同类型聚合、降解反应和不同反应分子动力学参数对形态生成的影响，尝试建立熔融挤出接枝或嵌段共聚反应和降解反应过程形态结构调控的规律性；尝试建立“剪切激光光散射仪”在线观察准反应加工条件下，多相聚合物体系形态结构生成过程的实验方法。  基本完成聚合、降解或交联反应的数学和物理表述，尝试建立耦合聚合、降解或交联反应的流体本构方程，并进行流体流动行为的模拟计算；初步归纳聚合、降解或交联反应类型以及反应分子动力学参 数对聚合物流体流动行为影响的规律性。  完成反应加工制备的聚合物材料本构方程的建立；应用大变形有限元方法和其它数值分析方法，初步模拟不同温度、不同拉伸或吹塑速率条件下，制件或制品各点的应力、应变和厚度分布及变化，认识导致缺陷发生的主要因素。 20xx 年：  借助 Monte Carlo 和分子动力学模拟方法，在复杂外场（温度、压力、剪切和高粘度）下，初步建立体系熔融挤出反应混合过程中体系微观形态、界面结构和聚合物分子链拓扑结构演变的模拟方法，尝试归纳增容剂分子结构和添加量以及反应程度等对体系微观形态结构形成影 响的规律性。  完成构建复杂外场情况下，多相聚合物体系的形态形成理论模型；初步模拟反应加工条件下，各种反应类型、反应分子动力学参数及其外场条件对形态生成与演变的影响，尝试给出控制介观形态结构的理论准则。  反应加工过程模拟：结合反应加工过程中聚合和降解反应分子动力学机理方面的研究结果，构造复杂化学和物理条件下，聚合物流体本构方程。 模仿反应加工条件，揭示不同化学反应和物理环境对复杂流体流动行为的影响规律。 确立在线观察准反应加工条件下，模型体系态结构生成过程的实验方法。  观测不同温度和变形速率下，厚度分布情况及缺陷 点发生等，完善反应加工方法制备的聚合物材料的本构模型。 20xx 年：  借助 0 0 03 课题在挤出聚合和挤出接枝或嵌段共聚及降解反应动力学实验数据，完善复杂外场条件下，普适性熔融挤出接枝或嵌段聚合反应与降解反应及其挤出聚合反应分子动力学模型、反应机理及其模拟方法，建立反应加工过程中，化学反应的调控规律和方法。  结合“剪切激光光散射仪”观察准反应加工条件下，伴随聚合和降解反应发生的模型体系形态形成的实验结果和 04 课题组可视化在线检测结果，完善计算机模拟方法，确立和发展伴随聚合和降解反应的 形态生成动力学理论。  结合 0 05 课题的实验和理论研究结果，发展和完善耦合聚合、降解或交联反应的聚合物流体本构模型，给出调控聚合物反应加工过程中流体流动行为的方法和规律。  完成模拟极限或特定加工条件（高温和高拉伸速率等）下，拉伸和吹塑成型过程，建立无缺陷制品或制件与自身分子结构和流变特性之间的规律性；对于反应加工制备的聚合物材料，初步确定制品或制件无缺陷的极限加工条件（温度和拉伸或吹塑速率极限等）及拉伸与吹塑成型产品合理的厚度分布。 基本完成聚合物材料拉伸和吹塑成型数值模拟普适性模拟与仿真方法的建立。 5. 预期研究成果 (1) 建立复杂外场条件下，聚合（均聚、接枝和嵌段共聚）和降解反应的 Monte Carlo和分子动力学模拟方法；模拟反应加工过程中，化学反应（聚合和降解反应）的分子生成动力学过程，阐明反应加工过程中化学反应机理；认识反应加工过程中化学反应的分子动力学和反应机理与通常聚合反应的区别；提出控制反应加工工程中化学反应的基本规律。 (2) 建立复杂外场条件下，伴随化学反应（聚合和降解反应）的多相聚合物形态生成与演变的介观计算机模拟方法；模拟反应加工过程中，不同反应类型（均聚、接枝、嵌段、交联和降解反应）、反应分子动力学参数和加工 条件对多相聚合物形态结构的影响规律；发现反应加工过程中，形态结构形成的调控规律；达到控制反应加工过程中多相聚合物相态结构的目的。 (3) 建立复杂物理环境下（高温、高压、高剪切和高粘度等），耦合化学反应（聚合和降解反应）的聚合物流体流动行为计算机模拟方法；模拟反应加工过程中，复杂流体的流动行为对化学反应类型（均聚、接枝、嵌段、交联和降解反应）、反应分子动力学参数和加工条件的定性与半定量依赖关系；确立优化反应加工过程中多相聚合物流体流动行为的规律性；为挤出型反应器的设计和反应加工制备的聚合物材料性能的提高提供科学依据。 (4) 建立反应加工方法制备的聚合物材料的拉伸和吹塑成型过程的计算机模拟与仿真方法；模拟反应加工方法制备的聚合物材料在不同加工条件下，拉伸和吹塑过程中，应力分布、应变分布、应变率分布和厚度分布的演变过程；揭示加工条件与制品或制件性能以及厚度分布等的定性与半定量关系的规律性；提出判断制品或制件缺陷的理论准则和无缺陷制品或制件的极限加工条件；开发拉伸和吹塑成型过程计算机模拟的软件系统。 每年平均发表高水平研究论文 1012篇，其中 Macromolecules、 J. Chem. Phys.、 J. Phys. Chem. B 和 Langmuir 等杂志发表的研究论文数不低于三分之一。 四、研究基础 1. 与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩 课题负责人安立佳研究员攻读博士学位至今， 一直致力于高分子物理与高分子加工方面的基础理论研究工作，在 聚合物及其混合物体系的统计热力学、聚合物混合体系相分离行为的计算机模拟、多相聚合物薄膜相分离行为、相容性聚合物混合物玻璃化转变行为和聚合物混合物的结晶与受限结晶行为等 5 个方面取得创新性研究成果。 在Macromolecules、 J. Chem. Langmuir 等国内外著名期刊上共发表研究论文 70 余篇（其中 SCI 收录国外核心期刊 42篇）；撰写专论 2 章；提交国际、国内学术会议论文40 余篇（邀请报告 5篇）。 曾主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学科学基金青年基金和面上基金、国家自然科学基金专项基金、中国科学院院长基金和青年基金和吉林省青年基金等；承担国家重点基础研究发展规划项目子课题。 1998 年获得国家杰出青年科学基金资助， 20xx年获国务院政府特殊津贴， 20xx年吉林省第二批省管优秀专家。 1998 年后，开展了聚合物及其混合物薄膜相分离等领域的实验和理论研究工作，在Langmuir 和 Macromol. Theory 4篇；近年来，与吉林大学数学系（黄明游教授研究组）合作正在开展复杂流体力学本构方程数值解方面的研究工作，取得了很好的进展，并应用于聚合物复杂流体。 目前，又涉足多相聚合物体系形态生成与演变计算机模拟方面的研究工作，获得了一些令人满意的结果。 研究工作发表后，被多次引用，得到了国内外同行的认可与承认。 课题主要参加者黄汉雄教授，多年来一直从事聚合物材料的机械设计与加工成型的理论和应用的科研与教学工作。 研究方向主要有“基于模拟仿真的机械模具 创新设计”和“聚合物加工过程的建模与仿真”。 主持国家和广东省自然科学基金、高校博士点专项科研基金、广东省重点科技攻关项目、广东省教育厅“千百十工程”优秀人才培养基金等项目，涉及流变学、机械设计、高分子材料以及计算机模拟与仿真和神经网络等学科与新理论，实现了学科交叉，特色是以机理研究为基础，促进成型机械的创新设计和新型高性能材料的制备。 取得的标志性成果主要有： 1) 主要对聚合物挤出和吹塑机理及技术进行了较系统的研究。 首次提出并研究了“聚合物分散熔融机理”； 2) 研制出“多边螺槽对流式螺杆”和“微米至纳米复合材 料用挤出和吹塑机械”，已获得和申请中国发明专利 3 项，并已被应用； 3) 成功制备熔体连续挤出自增强的聚烯烃（拉伸强度比普通制品提高 8 倍多）以及微米至纳米复合材料，其中一篇论文被作为 J. Mater. Sci. Lett.杂志的封面论文发表。 已在国际与国内核心刊物上发表论文 60 余篇，有 20 多篇次被国际三大索引收录，有 40 多篇次被国内外同行在公开出版的论文、专著和手册中引用。 课题主要参加者姜伟研究员，多年来一直从事多相多组分聚合物的形态结构、相转变和宏观性能的研究工作。 曾将逾渗模型与 Eyring 理论相结合 研究了聚合物的屈服行为、脆韧转变与体系的形态及温度和形变速率的关系。 在理论上指出以聚合物基体自身的脆韧转变温度与测量温度之差来衡量聚合物的脆韧转变更具有普适性，并发现了与聚合物材料无关的脆韧转变主曲线和聚合物混合体系脆韧转变的温度和基体层厚度等效性原理。 相关的研究成果被国内外同行引用，并被权威综述论文作为该领域的重要结果加以介绍（ Perkins WG , Polym. Eng. Sci., 39， 2445）。 曾用 Monte Carlo 模拟技术研究了分子间的特殊相互作用、链结构等对多组分聚合物相行为、形态、 界面结构的影响，有数篇研究论文发表在本学科的国际核心期刊上。 已发表研究论文 40 余篇（ SCI 收录期刊论文 30 余篇）；提交国际、国内学术会议论文 10 余篇（邀请报告 1 次）。 课题主要参加者吴淑芳副教授，分别获得吉林大学数学系计算数学学士和硕士学位；自攻读吉林工业大学塑性加工专业博士学位以来，一直致力于大变形有限元的数值分析和计算机模拟方面的研究工作，发表研究论文 10 余篇，在大变形有限元理论和数值计算方面较好基础，在材料成型数值模拟中一些关键技术，如：网格自动生成、网格自适应重分等方面都有较深入的研究，亲自研制了实 用的自适应弹塑性成型数值模拟软件，此软件在本项目中可作为研究数值模拟软件的雏形，只需在其中引入粘性、应变率、速度等参数即可，近期主攻方向为“聚合物材料的加工成型的计算机模拟”。 综上可以看出，研究组在所申请的基金课题研究方面有相当的基础，并取得了一些前期研究结果，完全有能力完成所申请的基金项目。 2. 已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径（包括利用国家重点实验室和部门开放实验室的计划与落实情况） 已具备的实验条件： 有十台 PC计算机二十个 CPU可用于计算机模拟研究，剪切激光光散射仪，扫描和透射电子 显微镜， X射线广角衍射和 X射线小角散射仪，面探测器 X 射线衍射仪，差热扫描量热仪，旋转流变仪，毛细管流变仪，动态力学分析仪， PLASTI。