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高分子流體動力學 版權信息
- ISBN：9787030713643
- 條形碼：9787030713643 ; 978-7-03-071364-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
高分子流體動力學 內容簡介
本書系統闡述了高分子流體動力學的科學意義與戰略價值、發展現狀與發展態勢、發展水平與發展規律、發展思路與發展方向，并在此基礎上給出了有利于高分子流體動力學發展的資助機制與政策建議，瞄準靠前學術前沿，立足國家重大需求，凝聚相關科學與技術問題。全書總結了5個方面的內容，分別是高分子稀溶液、高分子亞濃溶液、高分子濃溶液與熔體、支化高分子流變學和高分子流體動力學的應用。
高分子流體動力學 目錄
目錄
總序 i
前言 v
摘要 ix
Abstract xix
**章 總論——高分子流體動力學發展戰略縱覽 1
**節 高分子流體動力學的科學意義與戰略價值 1
一、高分子流體動力學是高分子科學發展的重要組成部分 1
二、高分子流體動力學是我國高分子材料加工成型技術突破的重要支撐 3
三、目前發展高分子流體動力學是我國取得重大原創成果的機遇期 4
四、重建新理論以應對高性能高分子材料需求是可持續發展的必然選擇 5
五、變革高分子材料研發理念是推動材料高質量發展的戰略需求 6
第二節 高分子流體動力學的發展現狀與發展態勢 8
一、國際高分子物理學的發展歷程 8
二、國際高分子流體動力學的發展狀況和態勢 9
三、高分子流體動力學的研究方法與局限性 12
四、高分子流體動力學典型案例分析 13
第三節 高分子流體動力學的發展水平與發展規律 17
一、國內外專家咨詢的結果 17
二、同行專家調查問卷的結果 18
三、文獻、專利等數據統計查詢的結果 19
四、國家自然科學基金統計查詢的結果 22
五、高分子流體動力學科學與技術前沿論壇的結果 24
第四節 高分子流體動力學的發展思路與發展方向 25
一、纏結高分子流體的鏈-鏈相互作用與鏈拓撲結構 26
二、纏結高分子流體流變學的動態自洽場理論 26
三、非高斯鏈的數值計算方法與理論 27
四、復雜高分子流體微觀結構間的相互作用與結構流變學 28
五、受限高分子流體的流變學 29
第五節 有利于高分子流體動力學發展的資助機制與政策建議 29
一、健全多元化激勵資助機制，增進協同創新 30
二、推動實驗、模擬、理論研究一體化，促進成果轉化 31
三、加大青年人才的扶持力度，讓更多有志者普惠、受益 32
四、促進國際合作與交流，形成開放科研格局 34
本章參考文獻 34
第二章 高分子稀溶液 39
**節 高分子構象學 39
一、概述 39
二、關鍵科學問題 44
三、重要研究內容 44
四、發展思路與目標 45
五、短板與優勢 45
第二節 高分子單鏈動力學 48
一、概述 48
二、關鍵科學問題 49
三、重要研究內容 51
四、發展思路與目標 62
五、短板與優勢 63
第三節 高分子受限輸運動力學 63
一、概述 63
二、關鍵科學問題 67
三、重要研究內容 67
四、發展思路與目標 68
五、短板與優勢 68
本章參考文獻 69
第三章 高分子亞濃溶液 86
**節 亞濃溶液的擴散與松弛動力學 86
一、概述 86
二、關鍵科學問題 90
三、重要研究內容 90
四、發展思路與目標 91
五、短板與優勢 92
第二節 臨界現象與標度理論 93
一、概述 93
二、關鍵科學問題 101
三、重要研究內容 102
四、發展思路與目標 103
五、短板與優勢 104
本章參考文獻 106
第四章 高分子濃溶液與熔體 117
**節 線性流變學 117
一、概述 117
二、關鍵科學問題 125
三、重要研究內容 126
四、發展思路與目標 128
五、短板與優勢 128
第二節 流變學分子理論 129
一、概述 129
二、關鍵科學問題 131
三、重要研究內容 132
四、發展思路與目標 142
五、短板與優勢 144
第三節 非線性流變學 146
一、概述 146
二、關鍵科學問題 154
三、重要研究內容 155
四、發展思路與目標 157
五、短板與優勢 157
本章參考文獻 158
第五章 支化高分子流變學 193
**節 支化高分子的黏彈性理論 193
一、概述 193
二、關鍵科學問題 199
三、重要研究內容 201
四、發展思路與目標 204
五、短板與優勢 205
第二節 支化高分子的應用 206
一、概述 206
二、關鍵科學問題 213
三、重要研究內容 214
四、發展思路與目標 215
五、短板與優勢 216
本章參考文獻 217
第六章 高分子流體動力學的應用 224
**節 高分子共混與復合體系流體動力學 224
一、概述 224
二、關鍵科學問題 231
三、重要研究內容 232
四、發展思路與目標 233
五、短板與優勢 234
第二節 高分子受限流變學 236
一、概述 236
二、關鍵科學問題 238
三、重要研究內容 239
四、發展思路與目標 245
五、優勢與短板 246
本章參考文獻 247
附錄 256
關鍵詞索引 259
總序 i
前言 v
摘要 ix
Abstract xix
**章 總論——高分子流體動力學發展戰略縱覽 1
**節 高分子流體動力學的科學意義與戰略價值 1
一、高分子流體動力學是高分子科學發展的重要組成部分 1
二、高分子流體動力學是我國高分子材料加工成型技術突破的重要支撐 3
三、目前發展高分子流體動力學是我國取得重大原創成果的機遇期 4
四、重建新理論以應對高性能高分子材料需求是可持續發展的必然選擇 5
五、變革高分子材料研發理念是推動材料高質量發展的戰略需求 6
第二節 高分子流體動力學的發展現狀與發展態勢 8
一、國際高分子物理學的發展歷程 8
二、國際高分子流體動力學的發展狀況和態勢 9
三、高分子流體動力學的研究方法與局限性 12
四、高分子流體動力學典型案例分析 13
第三節 高分子流體動力學的發展水平與發展規律 17
一、國內外專家咨詢的結果 17
二、同行專家調查問卷的結果 18
三、文獻、專利等數據統計查詢的結果 19
四、國家自然科學基金統計查詢的結果 22
五、高分子流體動力學科學與技術前沿論壇的結果 24
第四節 高分子流體動力學的發展思路與發展方向 25
一、纏結高分子流體的鏈-鏈相互作用與鏈拓撲結構 26
二、纏結高分子流體流變學的動態自洽場理論 26
三、非高斯鏈的數值計算方法與理論 27
四、復雜高分子流體微觀結構間的相互作用與結構流變學 28
五、受限高分子流體的流變學 29
第五節 有利于高分子流體動力學發展的資助機制與政策建議 29
一、健全多元化激勵資助機制，增進協同創新 30
二、推動實驗、模擬、理論研究一體化，促進成果轉化 31
三、加大青年人才的扶持力度，讓更多有志者普惠、受益 32
四、促進國際合作與交流，形成開放科研格局 34
本章參考文獻 34
第二章 高分子稀溶液 39
**節 高分子構象學 39
一、概述 39
二、關鍵科學問題 44
三、重要研究內容 44
四、發展思路與目標 45
五、短板與優勢 45
第二節 高分子單鏈動力學 48
一、概述 48
二、關鍵科學問題 49
三、重要研究內容 51
四、發展思路與目標 62
五、短板與優勢 63
第三節 高分子受限輸運動力學 63
一、概述 63
二、關鍵科學問題 67
三、重要研究內容 67
四、發展思路與目標 68
五、短板與優勢 68
本章參考文獻 69
第三章 高分子亞濃溶液 86
**節 亞濃溶液的擴散與松弛動力學 86
一、概述 86
二、關鍵科學問題 90
三、重要研究內容 90
四、發展思路與目標 91
五、短板與優勢 92
第二節 臨界現象與標度理論 93
一、概述 93
二、關鍵科學問題 101
三、重要研究內容 102
四、發展思路與目標 103
五、短板與優勢 104
本章參考文獻 106
第四章 高分子濃溶液與熔體 117
**節 線性流變學 117
一、概述 117
二、關鍵科學問題 125
三、重要研究內容 126
四、發展思路與目標 128
五、短板與優勢 128
第二節 流變學分子理論 129
一、概述 129
二、關鍵科學問題 131
三、重要研究內容 132
四、發展思路與目標 142
五、短板與優勢 144
第三節 非線性流變學 146
一、概述 146
二、關鍵科學問題 154
三、重要研究內容 155
四、發展思路與目標 157
五、短板與優勢 157
本章參考文獻 158
第五章 支化高分子流變學 193
**節 支化高分子的黏彈性理論 193
一、概述 193
二、關鍵科學問題 199
三、重要研究內容 201
四、發展思路與目標 204
五、短板與優勢 205
第二節 支化高分子的應用 206
一、概述 206
二、關鍵科學問題 213
三、重要研究內容 214
四、發展思路與目標 215
五、短板與優勢 216
本章參考文獻 217
第六章 高分子流體動力學的應用 224
**節 高分子共混與復合體系流體動力學 224
一、概述 224
二、關鍵科學問題 231
三、重要研究內容 232
四、發展思路與目標 233
五、短板與優勢 234
第二節 高分子受限流變學 236
一、概述 236
二、關鍵科學問題 238
三、重要研究內容 239
四、發展思路與目標 245
五、優勢與短板 246
本章參考文獻 247
附錄 256
關鍵詞索引 259
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高分子流體動力學 節選
**章總論——高分子流體動力學發展戰略縱覽 **節高分子流體動力學的科學意義與戰略價值 一、高分子流體動力學是高分子科學發展的重要組成部分 高分子流體動力學是高分子科學的重要組成部分，是高分子材料加工成型與設計的學科基礎。然而，我國高分子流體動力學研究遠落后于美國、日本、歐洲等發達國家或地區，主要表現為原創性基礎理論研究的缺乏[1]。 在高分子溶液方面，特性黏度與擴散是反映高分子稀溶液中分子鏈內摩擦性質的重要物理量，也是通過高分子稀溶液性質表征高分子的分子量、分子尺寸和分子鏈拓撲結構的特征物理量。因此，它一直受到高分子物理化學家和凝聚態物理學家（如愛因斯坦、德拜、弗洛里（Flory）、勞斯（Rouse）、齊姆（Zimm）和山川（Yamakawa）等）的廣泛關注[2-5]。他們提出的許多理論在分子水平上增進了人們對高分子自身特性的理解，同時也促進了高分子鏈結構研究的進展。但是，在流體動力學的角度，在單分子水平上理解高分子稀溶液的基本性質一直是高分子物理領域的重要難題之一。傳統理論只能采用二體相互作用近似代替高分子鏈與溶劑間的多體相互作用，無法描述超支化等復雜拓撲結構高分子鏈的流體動力學性質。因此，亟須建立一個普適性的高分子稀溶液理論，以滿足超支化高分子鏈結構和分子量表征的迫切需求。 在高分子熔體方面，早期人們提出了由理想彈簧（描述彈性性質）與理想黏壺（描述黏性性質）串聯的麥克斯韋模型和并聯的沃伊特-開爾文模型（Voigt-Kelvin model），以及利用彈簧和黏壺串并聯組成的多元模型[6-9]。另外，人們注意到高分子的長鏈特性，特別是由于鏈的不可穿越性而導致的分子鏈-分子鏈之間的相互作用，使得長鏈高分子流體分子鏈之間存在彈性相互作用，即纏結效應。因為該效應對高分子的黏彈性（viscoelasticity）起主宰作用，所以后續理論深入研究了纏結效應的影響[10， 11]。在高分子流變學發展初期，人們把纏結高分子流體處理成一種瞬態彈性網絡，而后根據高分子和其他黏彈性材料的具體性質建立了較成熟的瞬態網絡模型（transient network model，TNM）。特別是，20世紀70年代，德熱納（de Gennes）開創性地提出了高分子鏈蠕動的概念；隨后，土井正男（Doi）和愛德華茲（Edwards）等將高分子鏈間不可穿越性導致的復雜多鏈相互作用等效成一條光滑、無勢壘的管道對測試分子鏈的限制作用，并建立了描述纏結高分子流體的管子模型（tube model）[12]。值得指出的是，經典管子模型能夠很好地描述纏結高分子流體的平衡態和近平衡態性質，但無法描述快速、大形變條件下纏結高分子流體的非線性流變行為，而大多數高分子材料的加工成型都在快速、大形變條件下進行[13]。因此，亟須建立能夠描述快速、大形變條件下的纏結高分子流體非線性流變學理論。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中明確將“軟凝聚態物質”列為科學前沿問題。而高分子是*典型、使用*廣泛的軟物質材料之一，高分子流體動力學又是高分子材料加工成型與設計的學科基礎。因此，強化這方面的部署與研究非常重要。一方面，強化對高分子流體動力學的部署與研究能夠使我國在基礎科學研究上取得突破。例如，高分子非線性流變學（高分子物理學三大難題之一）的突破將促進對高分子物理學的另外兩大難題（高分子結晶動力學和高分子玻璃化轉變）的理解。這是由于它們都面臨著如何處理多鏈相互作用、多鏈間的協同效應及分子鏈拓撲重構等共性問題。另一方面，強化對高分子流體動力學的部署與研究也必將對國防安全與人民生活產生重大的影響。這是由于高分子具有特有的長鏈特性和鏈間的不可穿越性，其動力學行為涉及不同的空間尺度和時間尺度，從而產生了很多令人關注的物理性質。同時，物理、化學、生物學、材料科學、醫學、環境科學、數學等不同學科領域的大批研究者不斷加入對這方面的研究，這是基礎科學的研究對象從簡單到復雜發展的必然結果。 二、高分子流體動力學是我國高分子材料加工成型技術突破的重要支撐 高分子流體動力學知識已經應用到科學技術和經濟社會發展的諸多方面[14-19]。然而，我國在高分子流體動力學領域的基礎知識積累相對薄弱，在一定程度上制約了我國高分子加工成型技術的發展。我國要想在全球高分子材料和制品市場站穩腳跟，就必須大力發展高分子流變學基礎研究，從根本上改變我國高分子材料高端制品加工成型技術水平落后的局面。特別是，高分子共混體系的性能不僅與其相結構和熱力學性質相關，而且依賴于（界面處）高分子鏈間的纏結結構及動力學行為。在快速、大形變條件下，高分子共混體系中常出現界面屈服——剪切帶（shear banding）；诩{維爾-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）的傳統流體動力學方法（如有限元分析方法）和一些唯象模型（如麥克斯韋模型等）無法處理上述非均勻性流動與變形問題。雖然近年來國際上有大量的著名流變學研究組開展了這方面的研究工作，但很多基本科學問題及產生這些非線性流變學現象的分子機制仍不清楚。為滿足日益苛刻的性能需求，將高分子之間或與填料進行共混或復合是一種簡單而有效的策略[20-22]。在高分子與納米粒子的復合體系中，一方面，其性能的提高與納米粒子在高分子基體中的分散程度、納米粒子自身特性、納米粒子擴散動力學行為、高分子鏈段松弛動力學行為等因素有關；另一方面，在加工成型過程中，其經歷的快速、大形變使高分子鏈構象和納米粒子的空間分布遠離平衡態，將導致高分子與納米粒子的復合體系呈現與靜態條件下截然不同的性質。更重要的是，納米粒子的運動與高分子鏈纏結網絡相互影響，納米粒子的擴散行為表現出對時間尺度的依賴性，在短時間內的運動既能表現出典型的布朗運動（Brownian motion），又能表現出反常擴散（欠擴散與超擴散）行為，但目前這些研究還處于實驗與模擬數據的積累階段。因此，只能通過對高分子與納米粒子復合體系的基礎和共性關鍵科學及技術問題的研究，尋找高分子納米復合體系的結構、動力學和宏觀力學性能之間的一般性規律，闡明快速、大形變條件下高分子流體非均勻流動與納米粒子反常擴散的微觀原理，從大量的實驗和模擬結果中抽提出一般化的普適性模型，建立或發展結構流變學（structure rheology）理論，實現高度集成的全鏈條設計，才能滿足各種節能、環保、安全、高強等高分子納米復合材料和制品的需求。目前，波音787客機的高分子及其復合材料用量占比達50%，實現整機減重超過20t和油耗降低超過20%。同時，高分子及其復合材料是武器裝備實現輕量化、高機動化和尖端化的重要途徑之一，其用量和性能水平已成為衡量一個國家武器裝備先進性的主要標志，如戰略導彈（約80%）、戰斗機（20%～35%）、直升機（50%～80%）、商用飛機（20%～50%）、無人飛行器（約80%）、獵掃雷艦艇（約80%）。除此之外，高分子及其復合材料優異的力學性能、電性能、耐化學腐蝕性、耐熱性、尺寸穩定性、耐候性等，使其成為電子/電氣領域的主流材料，其中高分子流體動力學對其加工成型工藝的發展起到至關重要的作用。目前，我國國防與重大基礎前沿領域在高分子及其復合材料設計和加工成型方面遇到諸多重要問題。因此，需要在分析高分子流體動力學前沿發展趨勢的基礎上，與國家重大需求相結合，尋找新的學科生長點。 三、目前發展高分子流體動力學是我國取得重大原創成果的機遇期 德熱納、土井正男和愛德華茲把纏繞高分子流體中高分子鏈間的復雜相互作用進行了單鏈平均場處理，提出了描述纏結高分子流體黏彈性質的管子模型[23-27]。該模型可以很好地預測纏結高分子流體的平衡態和近平衡態性質，甚至有些學者認為可以描述非平衡態和遠離平衡態性質。但近期的實驗研究發現，一些重要的非線性流變學現象不能基于管子模型來解釋[13]。例如，美國阿克倫（Akron）大學王十慶（Shi-Qing Wang）研究組發現：當剪切速率較大時，應力過沖峰值點的位置和高度隨剪切速率的增加而升高；峰值點應變與剪切速率間存在1/3的標度關系，而不是管子模型所預言的標度指數（v = 1）；他們通過粒子示蹤測速儀（particle tracking velocimetry，PTV）發現的一系列纏結高分子流體非線性流變學現象（如非靜態松弛、壁滑滯后、宏觀流動、剪切帶、拉伸屈服等）也很難基于管子模型來解釋。此外，Archer和Sanchez-Reyes[28]發現，在階躍形變后的靜態松弛過程中，其約化松弛模量的重疊時間遠長于勞斯松弛時間，而根據管子模型的物理圖像，重疊時間應該為勞斯松弛時間。基于以上實驗事實，一些學者認為管子模型很難描述快速、大形變條件下纏結高分子流體的非線性流變行為。因此，亟須闡明這些非線性流變行為的分子機制，并在此基礎上建立能夠描述快速、大形變條件下纏結高分子流體非線性流變行為的非單鏈平均場理論。 高分子流體動力學問題一直受到國內外杰出物理化學家和物理學家的高度關注，但是由于實驗技術和儀器的限制，有很多關鍵科學問題沒有得到解決。隨著單分子示蹤技術與高性能計算機軟硬件技術的發展，未來10～20年必將成為高分子流體動力學研究的黃金時期，我國應該抓住同期“起跑”、實現高分子新材料研發跨越式發展的重大歷史機遇，提升我國的原始創新能力，實現與發達國家在本領域“并跑”，甚至部分方向“領跑”的目標。針對高分子流體動力學學科交叉的特點，應加強高分子流體動力學分子理論研究，優化高分子流體動力學在國家自然科學基金和國家學科發展戰略中的布局，吸引國內相關學科研究人員加入高分子流體動力學研究領域，培養新一代青年骨干人才，從而發揮國內高分子流體動力學研究的后發優勢。值得指出的是，通過深入調研發現，*近十多年來，我國在高分子材料的具體應用與加工成型方面的科研人員較多，也取得了很多出色的科研成果。但是，如果期望我國在高分子材料的高性能化、低能耗加工、設計與調控方面取得突破性的原創成果，那么我國當前較薄弱的高分子流體動力學基礎理論研究和知識積累，特別是大流場下高分子流體在分子水平上的動力學，必將成為我國高分子材料加工成型技術創新的瓶頸。事實上，在高分子流體動力學方面取得的新知識和新突破，勢必會促進高分子科學（特別是高分子物理學）的發展；其進展也會對統計熱力學、凝聚態物理（尤其是非平衡態統計熱力學和動力學）的發展產生重要影響。 四、重建新理論以應對高性能高分子材料需求是可持續發展的必然選擇 高分子是軟物質中*經典、*具有代表性的研究體系，有許多傳統鋼鐵、陶瓷等材料不具備的性質[29]，如熱漲落顯著、多重亞穩態、熵致有序、宏觀柔性、“弱刺激、強響應”、強非線性等。這些特性通常難以從它們的化學結構（如原子或分子成分）上推測出來。雖然人們已經做了大量的相關研究，但是尚未建立起統一的研究范式。對高分子流體動力學與高分子性能演變的普適規律的研究仍然是當前流體力學、統計物理學及相關交叉學科的重要前沿課題。高分子流體動力學不僅使材料獲得一定的形狀、尺寸，還賦予材料*終的結構與性能。探索高分子流體動力學可以幫助我們理解與認識自然（特別是生命現象的進程），更具有重要的實際應用價值。隨著高分子及其復合材料科學與技術的發展，其工程應用正向高端工業制品和國防、航空航天等國家戰略領域大規模拓展。目前，很多塑料、橡膠及其復合材料的制備和生產技術是各個國家的核心競爭力。研發具有各種獨*功能的高分子及其先進復合材料產品，如抗沖擊、耐腐蝕、高透光、抗輻射與隱身性，以及在極端復雜環境下的服役性能等，對高分子及其先進復合材料成型理論、方法和模具設計制造技術提出了更高的要求。長期以來，歐洲、美國、日本等發達國家或地區往往通過設置技術壁壘，對這些高端材料進行嚴密的技術管控，對部分產品施行限量或禁止銷售，從而嚴重制約了我國工業現代化的進程。因此，重建新理論來進行原始創新是我國可持續發展的必由之路。 五、變革高分子材料研發理念是推動材料高質量發
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