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类玻璃高分子焊接界面力-化学耦合断裂模型

断裂力学模型，网络微结构，内聚力区域，界面焊接，类玻璃高分子

热固性树脂的焊接、修复和回收是科学和工程领域的长期挑战。为了应对这一挑战，Montarnal等（Science, 2011, 334, 965-968）将热诱导酯交换反应引入热固性树脂中，实现了高分子网络结构的拓扑重排，为可逆交联热固性树脂的发展开辟了崭新的道路。这一类材料受热后粘度会下降，遵循阿伦尼乌斯定律，与石英玻璃类似，被称之为类玻璃高分子（Vitrimer）。为了探寻更为环保经济的策略，Shi等（Macromolecules, 2016, 49, 5527-5537）利用溶剂辅助键交换反应，实现了类玻璃高分子材料的焊接。基于焊接化学反应动力学和界面高分子网络微结构，构建类玻璃高分子焊接界面的力学理论模型，将有助于溶剂辅助焊接条件的优化和界面力学行为的理解。因此，本研究建立了类玻璃高分子溶剂辅助焊接界面从焊接化学反应到界面高分子网络结构再到断裂韧性的力-化学耦合断裂力学模型。考虑聚合物扩散-酯交换反应的耦合效应，建立了热诱导焊接动力学方程,并发展了描述聚合物溶液浓度分布的竹节状模型。提出了指数形式的形状函数表示弹性体高分子链在内聚力区域的变形轮廓，进而对界面内聚力区域的耗散应变能进行积分给出了界面断裂韧性。理论研究表明，随着催化剂浓度的增加，焊接反应速率呈指数增长。随着焊接时间的增加，界面断裂韧性呈指数增长，而界面断裂能随焊接温度呈线性增加。内聚区域面积越大，界面断裂韧性越高。模型预测的理论结果与相关实验数据吻合较好。该模型有助于从界面化学反应和界面微结构的角度理解类玻璃高分子的溶剂辅助焊接和断裂行为。