高分子流体动力学

**章总论——高分子流体动力学发展战略纵览 **节高分子流体动力学的科学意义与战略价值 一、高分子流体动力学是高分子科学发展的重要组成部分 高分子流体动力学是高分子科学的重要组成部分，是高分子材料加工成型与设计的学科基础。然而，我国高分子流体动力学研究远落后于美国、日本、欧洲等发达国家或地区，主要表现为原创性基础理论研究的缺乏[1]。 在高分子溶液方面，特性黏度与扩散是反映高分子稀溶液中分子链内摩擦性质的重要物理量，也是通过高分子稀溶液性质表征高分子的分子量、分子尺寸和分子链拓扑结构的特征物理量。因此，它一直受到高分子物理化学家和凝聚态物理学家（如爱因斯坦、德拜、弗洛里（Flory）、劳斯（Rouse）、齐姆（Zimm）和山川（Yamakawa）等）的广泛关注[2-5]。他们提出的许多理论在分子水平上增进了人们对高分子自身特性的理解，同时也促进了高分子链结构研究的进展。但是，在流体动力学的角度，在单分子水平上理解高分子稀溶液的基本性质一直是高分子物理领域的重要难题之一。传统理论只能采用二体相互作用近似代替高分子链与溶剂间的多体相互作用，无法描述超支化等复杂拓扑结构高分子链的流体动力学性质。因此，亟须建立一个普适性的高分子稀溶液理论，以满足超支化高分子链结构和分子量表征的迫切需求。 在高分子熔体方面，早期人们提出了由理想弹簧（描述弹性性质）与理想黏壶（描述黏性性质）串联的麦克斯韦模型和并联的沃伊特-开尔文模型（Voigt-Kelvin model），以及利用弹簧和黏壶串并联组成的多元模型[6-9]。另外，人们注意到高分子的长链特性，特别是由于链的不可穿越性而导致的分子链-分子链之间的相互作用，使得长链高分子流体分子链之间存在弹性相互作用，即缠结效应。因为该效应对高分子的黏弹性（viscoelasticity）起主宰作用，所以后续理论深入研究了缠结效应的影响[10， 11]。在高分子流变学发展初期，人们把缠结高分子流体处理成一种瞬态弹性网络，而后根据高分子和其他黏弹性材料的具体性质建立了较成熟的瞬态网络模型（transient network model，TNM）。特别是，20世纪70年代，德热纳（de Gennes）开创性地提出了高分子链蠕动的概念；随后，土井正男（Doi）和爱德华兹（Edwards）等将高分子链间不可穿越性导致的复杂多链相互作用等效成一条光滑、无势垒的管道对测试分子链的限制作用，并建立了描述缠结高分子流体的管子模型（tube model）[12]。值得指出的是，经典管子模型能够很好地描述缠结高分子流体的平衡态和近平衡态性质，但无法描述快速、大形变条件下缠结高分子流体的非线性流变行为，而大多数高分子材料的加工成型都在快速、大形变条件下进行[13]。因此，亟须建立能够描述快速、大形变条件下的缠结高分子流体非线性流变学理论。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中明确将“软凝聚态物质”列为科学前沿问题。而高分子是*典型、使用*广泛的软物质材料之一，高分子流体动力学又是高分子材料加工成型与设计的学科基础。因此，强化这方面的部署与研究非常重要。一方面，强化对高分子流体动力学的部署与研究能够使我国在基础科学研究上取得突破。例如，高分子非线性流变学（高分子物理学三大难题之一）的突破将促进对高分子物理学的另外两大难题（高分子结晶动力学和高分子玻璃化转变）的理解。这是由于它们都面临着如何处理多链相互作用、多链间的协同效应及分子链拓扑重构等共性问题。另一方面，强化对高分子流体动力学的部署与研究也必将对国防安全与人民生活产生重大的影响。这是由于高分子具有特有的长链特性和链间的不可穿越性，其动力学行为涉及不同的空间尺度和时间尺度，从而产生了很多令人关注的物理性质。同时，物理、化学、生物学、材料科学、医学、环境科学、数学等不同学科领域的大批研究者不断加入对这方面的研究，这是基础科学的研究对象从简单到复杂发展的必然结果。 二、高分子流体动力学是我国高分子材料加工成型技术突破的重要支撑 高分子流体动力学知识已经应用到科学技术和经济社会发展的诸多方面[14-19]。然而，我国在高分子流体动力学领域的基础知识积累相对薄弱，在一定程度上制约了我国高分子加工成型技术的发展。我国要想在全球高分子材料和制品市场站稳脚跟，就必须大力发展高分子流变学基础研究，从根本上改变我国高分子材料高端制品加工成型技术水平落后的局面。特别是，高分子共混体系的性能不仅与其相结构和热力学性质相关，而且依赖于（界面处）高分子链间的缠结结构及动力学行为。在快速、大形变条件下，高分子共混体系中常出现界面屈服——剪切带（shear banding）。基于纳维尔-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）的传统流体动力学方法（如有限元分析方法）和一些唯象模型（如麦克斯韦模型等）无法处理上述非均匀性流动与变形问题。虽然近年来国际上有大量的著名流变学研究组开展了这方面的研究工作，但很多基本科学问题及产生这些非线性流变学现象的分子机制仍不清楚。为满足日益苛刻的性能需求，将高分子之间或与填料进行共混或复合是一种简单而有效的策略[20-22]。在高分子与纳米粒子的复合体系中，一方面，其性能的提高与纳米粒子在高分子基体中的分散程度、纳米粒子自身特性、纳米粒子扩散动力学行为、高分子链段松弛动力学行为等因素有关；另一方面，在加工成型过程中，其经历的快速、大形变使高分子链构象和纳米粒子的空间分布远离平衡态，将导致高分子与纳米粒子的复合体系呈现与静态条件下截然不同的性质。更重要的是，纳米粒子的运动与高分子链缠结网络相互影响，纳米粒子的扩散行为表现出对时间尺度的依赖性，在短时间内的运动既能表现出典型的布朗运动（Brownian motion），又能表现出反常扩散（欠扩散与超扩散）行为，但目前这些研究还处于实验与模拟数据的积累阶段。因此，只能通过对高分子与纳米粒子复合体系的基础和共性关键科学及技术问题的研究，寻找高分子纳米复合体系的结构、动力学和宏观力学性能之间的一般性规律，阐明快速、大形变条件下高分子流体非均匀流动与纳米粒子反常扩散的微观原理，从大量的实验和模拟结果中抽提出一般化的普适性模型，建立或发展结构流变学（structure rheology）理论，实现高度集成的全链条设计，才能满足各种节能、环保、安全、高强等高分子纳米复合材料和制品的需求。目前，波音787客机的高分子及其复合材料用量占比达50%，实现整机减重超过20t和油耗降低超过20%。同时，高分子及其复合材料是武器装备实现轻量化、高机动化和尖端化的重要途径之一，其用量和性能水平已成为衡量一个国家武器装备先进性的主要标志，如战略导弹（约80%）、战斗机（20%～35%）、直升机（50%～80%）、商用飞机（20%～50%）、无人飞行器（约80%）、猎扫雷舰艇（约80%）。除此之外，高分子及其复合材料优异的力学性能、电性能、耐化学腐蚀性、耐热性、尺寸稳定性、耐候性等，使其成为电子/电气领域的主流材料，其中高分子流体动力学对其加工成型工艺的发展起到至关重要的作用。目前，我国国防与重大基础前沿领域在高分子及其复合材料设计和加工成型方面遇到诸多重要问题。因此，需要在分析高分子流体动力学前沿发展趋势的基础上，与国家重大需求相结合，寻找新的学科生长点。 三、目前发展高分子流体动力学是我国取得重大原创成果的机遇期 德热纳、土井正男和爱德华兹把缠绕高分子流体中高分子链间的复杂相互作用进行了单链平均场处理，提出了描述缠结高分子流体黏弹性质的管子模型[23-27]。该模型可以很好地预测缠结高分子流体的平衡态和近平衡态性质，甚至有些学者认为可以描述非平衡态和远离平衡态性质。但近期的实验研究发现，一些重要的非线性流变学现象不能基于管子模型来解释[13]。例如，美国阿克伦（Akron）大学王十庆（Shi-Qing Wang）研究组发现：当剪切速率较大时，应力过冲峰值点的位置和高度随剪切速率的增加而升高；峰值点应变与剪切速率间存在1/3的标度关系，而不是管子模型所预言的标度指数（v = 1）；他们通过粒子示踪测速仪（particle tracking velocimetry，PTV）发现的一系列缠结高分子流体非线性流变学现象（如非静态松弛、壁滑滞后、宏观流动、剪切带、拉伸屈服等）也很难基于管子模型来解释。此外，Archer和Sanchez-Reyes[28]发现，在阶跃形变后的静态松弛过程中，其约化松弛模量的重叠时间远长于劳斯松弛时间，而根据管子模型的物理图像，重叠时间应该为劳斯松弛时间。基于以上实验事实，一些学者认为管子模型很难描述快速、大形变条件下缠结高分子流体的非线性流变行为。因此，亟须阐明这些非线性流变行为的分子机制，并在此基础上建立能够描述快速、大形变条件下缠结高分子流体非线性流变行为的非单链平均场理论。 高分子流体动力学问题一直受到国内外杰出物理化学家和物理学家的高度关注，但是由于实验技术和仪器的限制，有很多关键科学问题没有得到解决。随着单分子示踪技术与高性能计算机软硬件技术的发展，未来10～20年必将成为高分子流体动力学研究的黄金时期，我国应该抓住同期“起跑”、实现高分子新材料研发跨越式发展的重大历史机遇，提升我国的原始创新能力，实现与发达国家在本领域“并跑”，甚至部分方向“领跑”的目标。针对高分子流体动力学学科交叉的特点，应加强高分子流体动力学分子理论研究，优化高分子流体动力学在国家自然科学基金和国家学科发展战略中的布局，吸引国内相关学科研究人员加入高分子流体动力学研究领域，培养新一代青年骨干人才，从而发挥国内高分子流体动力学研究的后发优势。值得指出的是，通过深入调研发现，*近十多年来，我国在高分子材料的具体应用与加工成型方面的科研人员较多，也取得了很多出色的科研成果。但是，如果期望我国在高分子材料的高性能化、低能耗加工、设计与调控方面取得突破性的原创成果，那么我国当前较薄弱的高分子流体动力学基础理论研究和知识积累，特别是大流场下高分子流体在分子水平上的动力学，必将成为我国高分子材料加工成型技术创新的瓶颈。事实上，在高分子流体动力学方面取得的新知识和新突破，势必会促进高分子科学（特别是高分子物理学）的发展；其进展也会对统计热力学、凝聚态物理（尤其是非平衡态统计热力学和动力学）的发展产生重要影响。 四、重建新理论以应对高性能高分子材料需求是可持续发展的必然选择 高分子是软物质中*经典、*具有代表性的研究体系，有许多传统钢铁、陶瓷等材料不具备的性质[29]，如热涨落显著、多重亚稳态、熵致有序、宏观柔性、“弱刺激、强响应”、强非线性等。这些特性通常难以从它们的化学结构（如原子或分子成分）上推测出来。虽然人们已经做了大量的相关研究，但是尚未建立起统一的研究范式。对高分子流体动力学与高分子性能演变的普适规律的研究仍然是当前流体力学、统计物理学及相关交叉学科的重要前沿课题。高分子流体动力学不仅使材料获得一定的形状、尺寸，还赋予材料*终的结构与性能。探索高分子流体动力学可以帮助我们理解与认识自然（特别是生命现象的进程），更具有重要的实际应用价值。随着高分子及其复合材料科学与技术的发展，其工程应用正向高端工业制品和国防、航空航天等国家战略领域大规模拓展。目前，很多塑料、橡胶及其复合材料的制备和生产技术是各个国家的核心竞争力。研发具有各种独*功能的高分子及其先进复合材料产品，如抗冲击、耐腐蚀、高透光、抗辐射与隐身性，以及在极端复杂环境下的服役性能等，对高分子及其先进复合材料成型理论、方法和模具设计制造技术提出了更高的要求。长期以来，欧洲、美国、日本等发达国家或地区往往通过设置技术壁垒，对这些高端材料进行严密的技术管控，对部分产品施行限量或禁止销售，从而严重制约了我国工业现代化的进程。因此，重建新理论来进行原始创新是我国可持续发展的必由之路。 五、变革高分子材料研发理念是推动材料高质量发