含排除体积相互作用的聚合物网络非线性弹性的统计场论
软凝聚态物质
2023-06-05 v1 统计力学
摘要
由柔性聚合物链交联形成的聚合物网络普遍存在于众多天然与合成软物质体系中。当前的微观力学模型通常不考虑排除体积相互作用，例如仅在连续介质尺度上施加唯象不可压缩约束。本研究旨在考察排除体积相互作用对力学响应的作用。方法基于聚合物自洽统计场论框架，该框架提供了一种高效的介观途径，可在无需大规模分子建模代价的情况下计入排除体积效应。一个介观代表性体积元内填充多条相互作用链，并通过该变形映射链的端到端矢量来施加宏观非线性弹性变形。在无排除体积相互作用时，它恢复了经典橡胶弹性理论的闭式结果。存在排除体积相互作用时，模型在三维中采用有限元方法数值求解，以得到施加宏观变形下的能量、应力与线性化模量。数值研究的要点包括：(i) 线性化泊松比非常接近不可压缩极限，而无需唯象地强加不可压缩性；(ii) 尽管以谐波高斯链为出发点，由于熵与排除体积相互作用之间的博弈，出现了真实聚合物网络特有的应变软化与应变硬化响应；(iii) 在大排除体积下出现对变形敏感的局部化失稳。
引用
@article{arxiv.2306.01701,
title = {Statistical field theory for nonlinear elasticity of polymer networks with excluded volume interactions},
author = {Pratik Khandagale and Timothy Breitzman and Carmel Majidi and Kaushik Dayal},
journal= {arXiv preprint arXiv:2306.01701},
year = {2023}
}