近日，我实验室博士生冯盛尧等在李良彬研究员、陈威副研究员和郭航博后的指导下在Macromolecules上发表题为Strain-Rate-Dependent Phase Transition Mechanism in Polybutene-1 during Uniaxial Stretching: From Quasi-Static to Dynamic Loading Conditions的专题文章。
该工作利用同步辐射X射线宽角衍射技术和自制的高速拉伸装置原位跟踪仅由晶型II组成的PB-1薄膜在0.005到100 s-1应变速率（）内从晶型 II到晶型 I相变过程中的相变路径和物理机制。根据实验结果建立如图1所示的不同应变速率区域相变物理模型。在区域A（0.005 s-1 < < 0.5 s-1），加载过程是准静态的，晶型II发生了弹性形变，在屈服点之后，晶型II向晶型I转变，这一转变被认为是通过链的构象变化和平移运动协同激活的。在这个速率区，长链有足够的时间进行构象的调整，所以只发生了固固转变，几乎所有晶型II在拉伸结束后都转变为晶型I。同时，晶型II和晶型I晶体沿c轴拉伸，由于泊松效应，沿a/b方向收缩，这种形变模式被称为“晶格弹性伸长”。在区域B（1 s-1 < < 10 s-1），构象缺陷生长模式和晶格弹性伸长模式相互竞争。屈服点之后，少量晶型II晶体沿a/b轴伸长，沿c轴塌缩。极快的拉伸过程在短时间内将机械功输入，长链来不及响应，链的局部构象远离其平衡状态，导致晶格构象紊乱。随着拉伸的进行，晶相中的链逐渐无序化，含有高构象缺陷的晶格随着应力的增加容易熔化。在此区域中大部分晶型II仍转变为晶型I，最终稳定的晶型I和少量有构象缺陷的晶型II共存。在区域C（> 50 s-1），晶型II晶格的形变模式主要是构象缺陷的生长。随着拉伸的进行，大部分晶型II晶体趋于熔化，只有少数向晶型I发生相转变。然而，由于机械能的超高速输入，晶型I晶体中也出现构象缺陷，在硬化点之后这些晶体倾向于熔融。在样品断裂前，总结晶度很低，残留的晶体晶型II和晶型I都含有构象缺陷。
总的来说，晶格的形变模式直接归因于施加的应变速率，而应变速率的不同则是导致能量输入的速率也不相同。动态加载能在短时间内产生高能量，使链构象紊乱，进一步导致初始的完美的晶体结构出现缺陷，变为无定形的前驱体，最终发生熔融。
该项工作得到国家重点研发计划（2018YFB0704200），国家自然科学基金（51633009，51903091，51790503）的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.1c02561