理论与实验揭示聚α-甲基苯乙烯 mandrel 材料的快慢相混合降解过程

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本研究论文聚焦于一种理想的管芯材料——聚α-甲基苯乙烯(Poly-α-methylstyrene, PAMS)的联合快速和慢速降解过程。《高功率激光科学与工程》(HighPowerLaserScienceandEngineering)于2021年发表了这一研究,卷9,第1期,共7页,DOI:10.1017/hpl.2020.48。作者通过对理论计算和实验方法的结合,揭示了PAMS材料降解的两种主要机制:聚合物链的分解(depolymerization)和氢转移引发的链断裂(hydrogen-transfer-induced chain scission)。 理论计算表明,聚合物链分解的能量壁垒较低,范围在0.68-0.82电子伏(eV),相比之下,氢转移导致的链断裂能量壁垒较高,大多在1.39-4.23 eV之间。这意味着分解过程对于PAMS而言是相对容易发生的,其速率相对较快。而氢转移反应由于能量障碍大,速度明显较慢,这可能导致在550 K温度下,两种降解过程速率差异达到5-31个数量级。 实验结果进一步证实了这一点,热重分析(Thermogravimetric Analysis, TGA)数据支持了理论预测。通过TGA,研究者观察到了这两种不同降解途径对材料质量损失的影响,以及它们随时间的变化规律。这种理解对于优化PAMS在高能激光应用中的性能、延长其使用寿命至关重要,尤其是在极端条件下,如激光加工或熔融过程中的耐久性。 该研究揭示了聚α-甲基苯乙烯材料在受到激光或其他热源影响时,其内部结构如何通过两种截然不同的化学过程进行降解,并强调了理解和控制这些过程速率在材料设计和实际应用中的关键作用。这对于材料科学家和工程师来说,提供了深入理解材料性能衰退机制的宝贵信息,有助于开发出更耐久、性能更稳定的激光加工材料。