基于具有超快時間分辨,高通量,從埃量級到微米量級的全尺度結(jié)構(gòu)表征的上海同步輻射光源二期工程BL10U1線站在材料原位微結(jié)構(gòu)演變表征上的獨(dú)特優(yōu)勢,能夠?yàn)閲覒?zhàn)略高性能材料提供最先進(jìn)的微結(jié)構(gòu)原位演變機(jī)理研究表征手段。近日,線站in-house研究在軸拉伸超高分子量聚乙烯(UHMWPE)膜的應(yīng)力場下的微結(jié)構(gòu)動態(tài)演化機(jī)制,取得了一系列的研究成果。
雙軸拉伸UHMWPE膜因其卓越的機(jī)械性能、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性,在防護(hù)材料、生物醫(yī)用材料及柔性電子器件領(lǐng)域占據(jù)重要地位。作為一種典型半結(jié)晶高分子,其宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)演變密切相關(guān)。然而,受限于缺乏具有時間分辨的高通量表征方法,對于其加工和實(shí)際使用場景中應(yīng)力作用下的雙軸拉伸UHMWPE膜微結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)機(jī)制長期缺乏系統(tǒng)性研究。
受益于具有時間分辨,高通量表征的上海同步輻射光源二期工程BL10U1線站投入運(yùn)行,中國科學(xué)院上海高等研究院上海光源科學(xué)中心聯(lián)合深圳大學(xué)低維材料基因工程研究院,聯(lián)合設(shè)計(jì)了適用于高性能材料的多物理場耦合原位表征裝置。實(shí)驗(yàn)首次完整原位跟蹤了雙軸拉伸UHMWPE膜從彈性階段至斷裂的全過程微結(jié)構(gòu)演變。研究組利用BL10U1工業(yè)站時間分辨小角/廣角聯(lián)用技術(shù),在一次完整的原位實(shí)驗(yàn)中,同時監(jiān)測了UHMWPE雙軸拉伸膜在應(yīng)力場作用下的非穩(wěn)定結(jié)晶相和長周期結(jié)構(gòu)演變過程?;跁r間分辨廣角散射結(jié)果,實(shí)驗(yàn)首次觀測到僅存在應(yīng)力場下的應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶結(jié)構(gòu)及其演變過程,并通過第一性原理計(jì)算解析,嘗試給出了其可能的應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶相晶相參數(shù)。相關(guān)研究發(fā)表于《ACS Macro Letters》。另一方面,基于時間分辨小角散射結(jié)果,揭示了雙軸拉伸UHMWPE膜的長周期結(jié)構(gòu)債應(yīng)力場下呈現(xiàn)獨(dú)特的四階段演變模式:從各向同性的彌散散射,逐步演化為取向橢球模式,再經(jīng)纖維晶主導(dǎo)階段,最終形成具有“蝴蝶散射”特征的層狀重組結(jié)構(gòu),并提出了可能的演變機(jī)制模式。該部分研究進(jìn)一步發(fā)表于Nature子刊《Communications Materials》上。

圖1:同步輻射時間分辨廣角(a)/小角(b)散射聯(lián)用技術(shù)揭示的UHMWPE雙軸拉伸膜在應(yīng)力場下的微結(jié)構(gòu)演變過程
本研究在UHMWPE微結(jié)構(gòu)動態(tài)演化領(lǐng)域取得系統(tǒng)性進(jìn)展,突破了復(fù)雜應(yīng)力條件下高分子材料微觀表征的技術(shù)難題。通過創(chuàng)新的原位表征技術(shù),首次捕捉到雙軸拉伸過程中UHMWPE微結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變過程,為調(diào)控UHMWPE材料力學(xué)性能提供了新思路,有望為新一代防護(hù)、生物醫(yī)用材料的設(shè)計(jì)、加工及實(shí)際使用場景的模擬提供了新的研究視角和研究范式。
系列工作均在上海同步輻射光源二期工程BL10U1線站上完成,最新論文的第一作者為上海高等研究院上海光源科學(xué)中心BL10U1線站張昊助理研究員,蛋白質(zhì)中心謝鑫成助理工程師;通訊作者為上海高等研究院上海光源科學(xué)中心的李秀宏研究員、田豐研究員,以及深圳大學(xué)的徐堅(jiān)教授。
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