高分子非線性流變行為的分子機理與性能調控

以合成塑料、合成橡膠和合成纖維三大合成材料為代表的高分子材料給人類生活帶來了翻天覆地的變化。我國每年需要加工上億噸的高分子材料。然而，具有自主知識產權的高端高分子材料加工技術仍受制於人。眾所周知，發展高分子材料高端加工成型技術的學科基礎是高分子非線性流變學。目前傳統流變學理論受到了挑戰，使國際高分子流變學發展遇到「瓶頸」。恰逢這樣一個流變學理論發展的機遇期，突破單鏈或連續性介質力學框架，建立新的流變學理論勢在必行。本重大項目將建立快速大形變和受限條件下纏結高分子流體新模型和新理論，闡明纏結高分子流體結構與宏觀性能間的關係，研究典型高分子加工技術中遇到的流變學問題，完善和優化相應的加工條件，精準高效地指導高分子材料加工與設計，取得一系列具有我國自主知識產權的重要科研成果，促進國際上該領域的發展。

一、科學目標

闡明纏結高分子流體非線性流變行為的分子機理，明晰分子鏈-鏈相互作用的本質，提出相應的物理模型，建立普適性的纏結高分子流體非線性流變學分子理論；探索複雜高分子流體微結構與其流變性質內在關聯的規律，構建相應的微（介）觀模型，完善複雜高分子流體的結構流變學理論；藉助流變學基本原理，結合上述模型和理論，研究典型高分子加工技術中的流變學問題，完善和優化相應的加工條件，實現高分子流體流變性能的精準高效調控。

二、研究內容

針對纏結高分子流體，在系統的實驗研究和計算機模擬研究基礎上，深入理解快速大形變條件下高分子鏈構象和纏結演化動力學，明晰非線性流變行為的分子機理，嘗試建立纏結高分子流體的分子流變學新模型或新理論；結合複雜高分子流體微結構與流變性質的內在關聯，嘗試將纏結高分子流體分子流變學的新模型或新理論拓展到高分子多相多組分體系和高分子納米複合體系，構建相應的介觀模型或唯象理論；圍繞納米注塑成型技術，揭示半封閉納米孔道導致的空間受限特異性，闡明纏結高分子流體鏈構象與鏈纏結的調控規律，實現不同界面間的超強粘接。主要開展以下五方面內容的研究：

（一）纏結高分子流體流變學的新模型與新理論。

遴選或設計纏結高分子流體的分子模型體系，基於第一性原理，建立纏結高分子流體非線性流變學新模型或新理論，藉助計算機模擬與數值計算，在驗證經典流變學理論物理圖像的同時，證實新模型或新理論的可靠性和有效性。

（二）纏結高分子流體的分子動力學模擬與實驗驗證。

通過計算機模擬，揭示快速大形變條件下，高分子鏈結構和纏結結構的演化規律，闡明宏觀流動、彈性恢復、壁滑滯後等典型非線性流變現象的分子機理，明晰分子鏈的鬆弛規律；設計分子水平上的流變學實驗驗證計算機模擬的結果。

（三）高分子多相多組分體系的複雜流變行為。

揭示高分子多相多組分體系的相形態、相尺寸、界面厚度、界面上分子鏈取向和鏈尺寸與多相多組分流體線性和非線性流變性能間的關聯，明確強流場下界面屈服的分子機理，完善多相多組分體系的結構流變學理論，實現高性能高分子多相多組分材料的優化與設計。

（四）高分子納米複合體系的複雜流變行為。

闡明影響納米粒子分散與相分離行為的關鍵因素，建立高分子納米複合體系中多尺度動力學行為與粘彈性的關係；分析快速大形變條件下高分子納米複合流體的結構與流變性質之間的關係，完善高分子納米複合材料的結構流變學理論。

（五）受限態高分子非線性流變學行為的分子機理。

研究受限與自由空間中高分子鏈構象和纏結度的差異性，從分子水平上闡明受限空間尺寸、高分子種類與拓撲結構、制樣方法等因素對受限態高分子流變行為的影響，在分子水平上實現對纏結高分子流體結構和動力學行為的調控，進而實現高分子複合物或複合界面的高性能化。

三、申請注意事項

（一）申請書的附註說明選擇「高分子非線性流變行為的分子機理與性能調控」（以上選擇不準確或未選擇的項目申請不予受理）。

（二）申請人申請的直接費用預算不得超過1700萬元/項（含1700萬元/項）。

（三）本項目由化學科學部負責受理。

來源：國家自然基金委

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