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    国家â€?73”计划“高聚物成型模拟及模兯‚®¾è®¡åˆ¶é€ ä¸­çš„关键问题研½I¶â€é¡¹ç›®æ˜¯ç”Þq”³é•‰K›¨é™¢å£«ä½œäؓ首席¿U‘å­¦å®Óž¼Œè”合国内11家单位共同承担，以国家战略领域和国家支柱产业高聚物制品成型和模具设计刉™€ äؓ背景åQŒè‡´åŠ›äºŽè§£å†³é«˜èšç‰©ç»“构制品的“成型”“成性”“服å½ÒŽ€§â€å’Œâ€œå·¥è‰ºæŽ§åˆ¶åŠæ¨¡å…·ä¼˜åŒ–”等关键问题åQŒäؓ我国由制造大国向刉™€ å¼ºå›½è{变提供理论和技术支撑ã€?

    10æœ?7日早æ™?ç‚?0分，搭蝲¼œžèˆŸåä¸€å¯‚²äººé£žèˆ¹çš„长征二号F˜qè²ç«ç®­åQŒåœ¨é…’泉卫星发射中心点火发射åQŒçº¦575¿U’后åQŒç¥žèˆŸåä¸€å¯‚²äººé£žèˆ¹ä¸Žç«ç®­æˆåŠŸåˆ†ç¦»åQŒè¿›å…¥é¢„定轨道，™åºåˆ©ž®†æ™¯‹¹·é¹ã€é™ˆå†¬ä¸¤åèˆªå¤©å‘˜é€å…¥å¤ªç©ºåQŒé£žè¡Œä¹˜¾l„状态良好，发射取得圆满成功ã€?

我国自行研制的飞天航天服

    两天后，载äh飞船承蝲两名航天员与天宫二号™åºåˆ©˜q›è¡Œå¯ÒŽŽ¥åQŒåƈ开始开展多™å¹ç©ºé—´ç§‘学实验与½Iºé—´åº”用åQŒç‰¹åˆ«æ˜¯½Iºé—´ç«™è¿è¡Œè½¨é“的交会å¯ÒŽŽ¥æŠ€æœ¯ã€‚航天员˜q›å…¥å¤©å®«äºŒå·½Iºé—´å®žéªŒå®¤åŽž®†è¿›è¡Œä¸­æœŸé©»ç•™è¯•éªŒï¼Œè€ƒæ ¸¾l„合体对航天员生‹z…R€å·¥ä½œå’Œå¥åº·çš„保障能力，以及航天员执行飞行ä“Q务的能力åQŒè¿™ž®†äؓ我国载äh航天工程战略的第三步½Iºé—´ç«™å¾è®¾è¿ˆå‡ºæ‰Žå®žçš„一步ã€?

    ä¸ÞZº†æŽ¢çƒ¦å®‡å®™å¥¥ç§˜åQŒèˆªå¤©å‘˜å¿…é¡»½I¿ç€é€‰ç”¨ç‰ÒŽ®Šææ–™ã€ç‰¹ŒDŠå·¥è‰ºã€ç‰¹ŒDŠæŠ€æœ¯åŠ å·¥çš„航天服进行太½Iºé£žè¡Œï¼Œç”šè‡³å‡ø™ˆ±‹zÕdŠ¨ã€‚在航天服上åQŒå¤´ç›”上的航天面½H—是重要的部件之一åQŒå®ƒä¸ä»…直接影响着航天员对外太½Iºçš„观察åQŒåŒæ—¶ä¹Ÿæ—¶åˆ»å…³ç³»ç€èˆªå¤©å‘˜çš„生命安全åQ?

    刉™€ èˆªå¤©é¢½H—条件极其苛åˆ?

    2008òq?æœ?7日，航天员翟志刚íw«ç€æˆ‘国自行研制的“飞天”宇航服在太½IÞZ¸­ç•™ä¸‹äº†ä¸­å›½å®‡èˆªå‘˜çš„èín影，˜q™ä¹Ÿè®©ä¸­å›½æˆä¸ºç¬¬ä¸‰ä¸ªæŽŒæ¡å¤ªç©ºå‡ø™ˆ±æŠ€æœ¯çš„国家。当¾˜Ÿå¿—刚透过头盔上的航天面窗看到太空åQŒå‘太空伸出双臂åQŒä½œä¸ø™ˆªå¤©é¢½H—的研制者，我们感到了无上的骄傲和自豪！

    航天服一般由压力舱、头盔、手套和靴子¾l„成åQŒåˆ†èˆ±å†…服和舱外服两¾c…R€‚头盔面½H—组件是宇航员在外太½Iºæ´»åŠ¨æ—¶è§‚察外界的窗口，可以说是宇航员的“眼睛”，它不仅要¾l™å®‡èˆªå‘˜æä¾›ä¸€ä¸ªæ¸…晰、良好的视野åQŒä¹Ÿæ˜¯èˆªå¤©å‘˜ç”Ÿå‘½ä¿éšœæœ€å…³é”®çš„部件之一ã€?

    当然åQŒèˆªå¤©é¢½H—不同于我们òqÏx—¶éª‘摩托èžR时戴的头盔上的面½H—，因äØ“åQŒå¤ª½IÞZ¸­æœ‰å¤ªè‹›åˆ»çš„温差条ä»Óž¼Œ˜q˜æœ‰æ•îC¸æ¸…的不可预料的危险，˜q™äº›éƒ½å¯¹èˆªå¤©é¢çª—的材料和设计提出了异常苛åˆÈš„要求ã€?

    首先åQŒèˆªå¤©é¢½H—要能承受太½Iºæžç«¯çš„温度环境。由于太½IÞZ¸­æ²¡æœ‰½Iºæ°”传热和散热，航天面窗受阳光直接照ž®„的一面，可äñ”生高è¾?00℃以上的高温。而背阴的另一面，温度则可低至零下100℃以下。所以，航天面窗首要的就是要能够承受极端的热胀å†ïL¾ƒä½œç”¨ã€?

    其次åQŒèˆªå¤©é¢½H—å¿…™åÀL˜¯é›¶ç¼ºé™—÷€‚由于太½IÞZ¸­æ˜¯é›¶å¤§æ°”压，ä»ÖM½•¾~ºé™·éƒ½ä¼šä½¿èˆªå¤©å‘˜æš´éœ²åœ¨å¤ª½IÞZ¸­åQŒåƈž®†é¢ä¸´å¤±åŽ‹ã€ç¼ºæ°§ã€ä½Žæ¸©å’Œè¾å°„损伤4大危险。如果äh直接暴露于太½Iºï¼Œ¾~ºæ°§ž®†ä¼šæŠŠäh˜q…速窒息而死。同æ—Óž¼Œæ²¡æœ‰äº†å¤§æ°”压åQŒäh也会因内脏、器官的胀裂而立åˆÖM“á命。åƈ且，在太½Iºé›¶ä¸?69℃的­‘…低温环境，äºÞZ¹Ÿä¼šç«‹åˆÕd†»æ­…R€?

    实验表明åQŒå¦‚果宇航服快速减压，那么宇航员将åœ?5¿U’后æ­ÖMº¡â€”—这正是íw«ä½“用光体内所有氧气的旉™—´ã€?

    再其‹Æ¡ï¼Œèˆªå¤©é¢çª—要能阻隔太空辐射。因为没有了地球¼‚åœºå’Œå¤§æ°”层的保护，宇航员会受到外太½Iºæ›´å¼ºçƒˆçš„辐ž®„伤実ë€?

    最后，太空中还存在着æ•îC¸æ¸…çš„½Iºé—´¼„Žç‰‡ã€‚由于航天员在飞èˆÒŽˆ–者空间站外活动时åQŒéšæ—‰™ƒ½å¯èƒ½é‡åˆ°æ¥è‡ªå¤ªç©ºå…ähœ‰­‘›_¤Ÿé«˜åŠ¨èƒ½çš„½Iºé—´¼„Žç‰‡å†²å‡»åQŒå› æ­¤ï¼Œèˆªå¤©é¢çª—在遇到这些碎片的时候，必须能够抵å±Må…ähœ‰˜q™äº›æ¯«æ— é˜²å¤‡çš„高动能½Iºé—´¼„Žç‰‡çš„冲凅R€?

    刉™€ èˆªå¤©é¢½H—是个不½Ž€å•çš„技术活

    既然刉™€ èˆªå¤©é¢½H—的条äšg˜q™ä¹ˆè‹›åˆ»åQŒé‚£ä¹ˆï¼Œé€æ˜Žçš„航天面½H—又是什么材料做成的呢？

    其实我们对它òq¶ä¸é™Œç”ŸåQŒå®ƒæ˜¯ä¸€¿Uå·¥½E‹å¡‘料，一¿Uä¸Žæˆ‘们戴的眼镜、汽车èžR灯灯¾|©ä¸€æ ïLš„树脂——聚¼„³é…¸é…¯æˆ–聚碳酔R…¯çš„共聚æ؜合物ã€?

    聚碳酔R…¯æ˜¯ä¸€¿Uçº¿åž‹ç¢³é…¸èšé…¯ï¼Œåˆ†å­ä¸­ç¢³é…¸åŸºå›¢ä¸Žå¦ä¸€äº›åŸºå›¢äº¤æ›¿æŽ’列，属于分子链中含有¼„³é…¸é…¯åŸºçš„高分子聚合物。聚¼„³é…¸é…¯æ˜¯å‡ ä¹Žæ— è‰²çš„玻璃态的无定形聚合物åQŒä½†æ˜¯å®ƒçš„强度和光学性能是无与äëu比的ã€?

    然而，ç”׃ºŽèšç¢³é…”R…¯çš„分子量大、分子链刚硬、黏度大、流动性能差，因此要用它来造成成型性能差，制品内应力大åQŒçŽ¯å¢ƒåº”力媄响大åQŒæ˜“变åŞ和开裂，˜q™äº›éƒ½ç»™å¤´ç›”上航天面½H—的成型加工带来较大的难度ã€?

    “明知山有虎åQŒåå‘虎å±Þp¡Œã€‚”虽然聚¼„³é…¸é…¯çš„脾气如此不好åQŒä½†æˆ‘们˜q˜æ˜¯å¾—将航天面窗成型。多¿Uå®žéªŒç ”½I¶åŽåQŒæˆ‘们决定采用一¿Uæœ€é€šç”¨çš„å·¥½E‹å¡‘料成型方式——注塑成型ã€?

    在成型过½E‹ä¸­åQŒéžç‰›é¡¿çš„塑料熔体在压力的驱动下通过‹¹é“、浇口向较低温度的模具型腔充填。这个过½E‹ä¸­åQŒç†”体一斚w¢ç”׃ºŽæ¨¡å…·ä¼ çƒ­è€Œå¿«é€Ÿå†·åß_¼Œå¦ä¸€æ–šw¢å› é«˜é€Ÿå‰ªåˆ‡äñ”生热量。同æ—Óž¼Œä¼´éšæœ‰ç†”体固化、体¿U¯æ”¶¾~©ã€å–向和可能的结晶等复杂的物理变化，甚至伴有大分子和由小分子到大分子的化学变化ã€?

    有了˜q™ä¸ª˜q‡ç¨‹åQŒå·¥½E‹å¡‘料制品具备了优良的物理、力学性质和特定工作环境下的优­‘Šæœå½ÒŽ€§èƒ½ã€‚而这个性能则来源于材料的组份与不同层次的结构，包括微纳¾c³ç»“构，不同层次的结构åŞ成和演化又依赖于模具设计刉™€ å’Œå·¥è‰ºæ¡äšg。可以说åQŒæˆåž‹è¿‡½E‹ä¸ä»…ä‹É材料获得一定的形状、尺寸，而且也赋予材料最¾lˆçš„¾l“构与性能ã€?

    围绕˜q™ä¸ªè¯ùN¢˜åQŒä»Ž2007òq´å§‹åQŒéƒ‘州大学国家橡塑模具工½E‹ç ”½I¶ä¸­å¿ƒç§‘研团队，开始了宇航服头盔航天面½H—的研发工作ã€?

    在无ä»ÖM½•¾léªŒå€Ÿé‰´æƒ…况下，我们团队¾l“合面窗的ä‹É用环境和使用功能åQŒæœ€åŽé‡‡ç”¨å…‰å­¦çñ”聚碳酔R…¯ä½œäØ“æ ‘è„‚åQŒç»“合数值模拟技术，设计加工¾_‘Ö¯†æ¨¡å…·åQŒé‡‡ç”¨æ³¨å¡‘成型方法，研制出宇航服头盔面窗制品åQŒåƈ通过å¯ÒŽœ€å¤–层面窗˜q›è¡Œ¾U³ç±³é‡‘涂层以阻隔太空的ç‚÷外线ã€?

    目前åQŒèˆªå¤©é¢½H—已成功应用到神舟七号飞船宇航员å‡ø™ˆ±æœã€ç¥žèˆŸä¹å·å®‡èˆªå‘˜èˆ±å†…服上。我们的研制团队作äؓ全国20个获奖集体之一åQŒä¹Ÿè£èŽ·â€œä¸­å›½è²äºø™ˆªå¤©å·¥½E‹çªå‡ø™µA献”奖励ã€?

    直面压力¾l§ç®‹æœåŠ¡å¥½èˆªå¤©äº‹ä¸?

    2008òqß_¼Œæç¥žä¸ƒå‘ž®„成功后åQŒå›½äºÞZ¸€ç›´éƒ½æ„Ÿåˆ°æ— æ¯”的骄傌Ӏ‚然而，¾ŸŽå›½NASA却在2010òq´ä¸“门提å‡ÞZº†ä¸€ä¸ªå…³äºŽä¸­å›½èˆªå¤©æœçš„报告。这个报告特别指出，中国的舱外活动只持箋äº?8分钟åQŒåƈ没有¾låŽ†é•¿æœŸçš„考验。而这åQŒæˆä¸ÞZº†æˆ‘们æ–îC¸€ä»£èˆªå¤©é¢½H—的研制工作的è“v炏V€?

    2012òqß_¼Œéƒ‘州大学联合中国¿U‘学技术大学、上‹¹·äº¤é€šå¤§å­¦ã€å››å·å¤§å­¦ã€åŽå—理工大学、华中科技大学、西北工业大学、中国科学院数学与系¾lŸç§‘学研½I‰™™¢ã€å¤§˜qžç†å·¥å¤§å­¦ã€ä¸­å—大学、机械科学研½I¶æ€»é™¢½{‰ï¼Œæ‰¿æ‹…了国家â€?73”计划项目“高聚物成型模拟及模兯‚®¾è®¡åˆ¶é€ ä¸­çš„关键问题研½I¶â€ã€?

    ™å¹ç›®ä»¥æ–°ä¸€ä»£èˆªå¤©é¢½H—研制äؓ背景åQŒå›´¾l•å¤æ‚多åœÞZ½œç”¨ä¸‹é«˜èšç‰©ææ–™ä¸åŒå±‚‹Æ¡åŞ态结构的演变规律、成型过½E‹ä¸­é«˜èšç‰©å¤æ‚流体的跨尺度计½Ž—理论、成型后高聚物制品性能和服役行为的跨尺度分析、成型工艺控制和模具设计的多目标优化理论和方法等关键¿U‘学问题开展研½I¶ã€?

    ˜q™ä¸ª™å¹ç›®é¦–先要解册™ˆªå¤©é¢½H—的寿命和老化问题åQŒä»¥åŠå¦‚何从材料—成型工艺—äñ”品后处理改变大分子结构等各种手段来实现老化性能提高。其‹Æ¡è§£å†Ïxæ–™â€”成型工艺—模兯‚®¾è®¡â€”光学性能之间的关¾p»ï¼Œé˜æ˜Žå½±å“é€æ˜Žå¡‘料件光学性能的分子动力学原因以及成型引è“v的分子取向与光学行äØ“åQˆæ‰€å¼•è“v的光畸变åQ‰ç­‰åQŒæœ€åŽæ˜¯è§£å†³æžç«¯çŽ¯å¢ƒä¸‹äñ”品的强度分析问题½{‰ã€?

    ¾lè¿‡4òq´çš„研究åQŒé¡¹ç›®ç»„取得了一¾pÕdˆ—成果åQŒåƈ成功应用到我国新一代航天面½H—的研制中ã€?

    ä¸ÞZº†æé«˜èˆªå¤©é¢çª—的抗老化性能åQŒé¡¹ç›®ç»„研究了聚¼„³é…¸é…¯çƒ­½E›_®šæ€§ï¼Œæå‡ºéšæœºæ–­é“¾/末端断链反应动力学模型来描述降解动力学过½E‹ã€‚同时利用高能伽马射¾U¿è¾ç…§åˆ¶å¤‡å‡ºä¸åŒæ‹“扑¾l“构的长链支化聚¼„³é…¸é…¯ï¼Œéšç€é•‰K“¾æ”¯åŒ–¾l“构的引入，以及镉K“¾æ”¯åŒ–˜q‡ç¨‹ä¸­åŞ成的化学支化点及分子铄¡¼ ¾l“作用有效改善了聚碳酔R…¯çš„耐环境应力开裂性能ã€?

    针对聚碳酔R…¯çš„ç‚÷外线辐射老化问题åQŒæˆ‘们徏立了聚碳酔R…¯/¾U³ç±³äºŒæ°§åŒ–钛复合材料åQŒé‡‡ç”¨é‡‘¾U¢çŸ³åž‹çº³¾c³äºŒæ°§åŒ–钛可以吸收和散射紫外¾U¿ï¼ŒåŒæ—¶ä¸ÞZº†é™ä½Žé‡‘红矛_¯¹èšç¢³é…”R…¯çš„催化降解作用，最大限度提高聚合物的耐ç‚÷外老化性能åQŒé€‰ç”¨äºŒæ°§åŒ–硅对纳¾c³äºŒæ°§åŒ–钛进行包覆，有效提高了聚¼„³é…¸é…¯çš„耐ç‚÷外老化性能òq¶å±è”½ç‚÷外线ã€?

    ä¸ÞZº†æŽ§åˆ¶å’Œè°ƒæŽ§èˆªå¤©é¢½H—的光学性能åQŒé¡¹ç›®ç»„通过对聚¼„³é…¸é…¯åˆ¶å“çš„2D-SAXS信号分析åQŒå°†åˆ¶å“ä¸­åˆ†å­é“¾çš„取向程度与光学畸变˜q›è¡Œå…Œ™”åQŒå¾—åˆîCº†æ³¨å°„条äšg与制品光学畸变的内在兌™”åQŒæ­½CÞZº†æ³¨å°„速率、熔体流动方向以及样品内部层‹Æ¡ä¸Žåˆ¶å“å…‰å­¦ç•¸å˜ä¹‹é—´çš„å…³¾p…R€?

    同时åQŒé¡¹ç›®ç»„利用注塑成型模拟理论得到成型˜q‡ç¨‹çš„温度场、压力场的动态分布以及制品应力场的分布，利用介质折射率与克分子极化强度之间关¾pȝš„‹z›äëuå…?‹z›äëu茨光学理论，建立起制品密度场和折ž®„率åœÞZ¹‹é—´çš„关系åQŒå†åˆ©ç”¨ç”늣ç†è®ºä¸­çš„菲涅ž®”公式，计算得到反射光强度和折射光强度，最后计½Ž—得到制品的透光度场。这些工作äؓ优化成型工艺åQŒè°ƒæŽ§äñ”品内部结构，˜q›è€ŒæŽ§åˆ¶äñ”品光学性能奠定了理论基¼‹€ã€?

    ä¸ÞZº†å®žçŽ°èˆªå¤©é¢çª—的成型—结构一体化分析åQŒé¡¹ç›®ç»„建立了三¾l´çš„¾lŸä¸€çš„气—液两相模型和运动界面追ítªçš„æ°´åã^集方法，利用光滑¾_’子‹¹ä½“动力学方法，在拉格朗日框架下模拟了航天面½H—充模过½E‹çš„三维‹¹åŠ¨è¡Œäؓ。åƈ通过聚碳酔R…¯ææ–™ä¸åŒåº”变率和温度下的单èáu拉äŽ×和压¾~©è¯•éªŒï¼Œå»ºç«‹äº†èš¼„³é…¸é…¯çš„拉äŽ×—压¾~©ç»Ÿä¸€æœ¬æž„模型。本构模型能有效的描˜q°èš¼„³é…¸é…¯çš„应变率相å…Ïx•ˆåº”、温度相å…Ïx•ˆåº”、èÊY化、硬化、拉伸压¾~©æ€§èƒ½ä¸å¯¹¿U°ç­‰å¤æ‚力学性能特征åQŒäؓ合理预测航天面窗的服役行为奠定了重要基础ã€?

    随着我国载äh航天工程战略的第三步½Iºé—´ç«™å¾è®„¡š„临近åQŒæˆ‘们希望利用工½E‹å¡‘料制造的æ–îC¸€ä»£èˆªå¤©é¢½H—不仅给航天员提供了观察太空世界的眼睛，更要像保护眼睛一样保护着我们航天员的生命ã€?