演化粒子动力学溶解行为多尺度模型研究

Dissolution behavior is widely used in the new type of material preparation and processing, the extraction separation and polymer modification, and so on, its multi-scale research is the most effective way to reveal the essence of dissolution under different spatial and temporal scale. Some key problems such as greate coarse graining scope and calculation burden in multi-scale simulation of particle dynamic need further research. In this project, multi-scale model and its transfixion methods of the dissolution behavior of supercritical CO2 in polymer based on particle dynamic, evolutionary computation and diffusion theory are investigated: 1) Macro-scale solubility calculation model is proposed using the movement of particles from evolutionary algorithm to replace the CO2 molecular diffusion process. 2) Microscopic, mesoscopic and macroscopic scale dissolution rate calculation models are proposed, using the iteration and evolution of evolutionary particle under the potential energy field of dynamics, while dynamics particles divided to evolutionary particle by particle location. 3) Transfixion method of border upon scale in microscopic, mesoscopic and macroscopic is developed by adjusting the division between dynamics particles and evolutionary particle. Research on this project is not only contributed to rich the disolution theory, but also to get new ideas for mult-scale simulation, and could provide reasonable scientific evidence for process parameters of microcellular plastics.

溶解行为广泛用于新型材料制备与加工、萃取分离和聚合物改性等领域，其多尺度研究是揭示不同时空下溶解本质的最有效途径。粒子动力学多尺度模拟的粗粒化级别变化幅度大和计算负担重等关键问题仍有待深入研究。项目借鉴粒子动力学多尺度方法，融合演化计算原理和扩散理论，探讨超临界CO2在聚合物中的溶解行为多尺度模型及其贯通方法：1）将演化算法中的粒子运动来模拟CO2分子的扩散过程，建立宏观尺度溶解度计算模型；2）将动力粒子按位置划分成演化粒子，使演化粒子在动力学势能场中迭代和进化，建立微观、介观和宏观尺度溶解速度计算模型；3）通过调整动力粒子与演化粒子的划分比，研究微-介-宏观相邻尺度的贯通方法。项目的研究将丰富溶解相关理论，在多尺度层面上为微孔塑料成型的工艺参数制定提供合理的科学依据，同时为多尺度模拟研究开辟新思路。

发泡材料因其独特的结构而具有许多优越的性能，在其成型过程中，超临界CO2通过进气孔进入聚合物熔体，经历溶解、成核、发泡三个过程得到发泡材料产品。由于在高温高压下实验困难，溶解行为表现出非线性、非平衡性、动态性和临界性等特征，向传统的研究方法提出了挑战。溶解行为的多尺度研究是揭示不同时空下溶解本质的最有效途径，在理论和应用上都具有重要的意义。项目借鉴粒子动力学多尺度方法，融合演化计算原理和扩散理论，研究了超临界CO2在聚合物中的溶解行为多尺度模型及其贯通方法：1）将演化算法中的粒子运动来模拟CO2分子的扩散过程，建立了宏观尺度下的溶解度计算模型；实验表明建立的模型在精度、效率和相关性上均达到了较满意的计算效果，与其他现有模型相比，宏观尺度下提出的溶解度模型综合性能较优。2）将动力粒子按位置划分成演化粒子，使演化粒子在动力学势能场中迭代和进化，建立了微观、介观和宏观尺度溶解速度计算模型；通过溶解模拟实验表明，与其他模型相比，提出的模型在预测精度、效率和相关性上有较好的性能。3）通过调整动力粒子与演化粒子的划分比，研究了微-介-宏观相邻尺度的贯通方法。项目提出的基于演化粒子动力学模型有望供诸多领域提供理论和应用参考。如高分子材料加工中结构演变的物理与化学问题、微纳尺度加工等新型加工方法等高分子材料加工领域。同时，在分子吸附、组装、活化与反应、多尺度多组分复杂界面电化学体系、大分子和凝聚相体系的低标度有效算法、复杂体系多尺度的量子动力学理论、新型功能材料体系的分子基础与原理、多尺度结构及宏观性能控制、多相、多场耦合的多尺度变形破坏机理、传热传质与先进热力系统等领域均有明显的科学价值和较好的应用前景。