综述：聚合物加工中的尺度问题及分析方法：从多尺度与跨尺度角度的综述

《Polymer》：Scale issues and analysis methods in polymer processing: A review from a multi-scale and cross-scale perspective

　　

赵南阳|刘文昊|徐正斌|刘春泰|董斌斌|沈长宇

中国郑州大学先进聚合物加工技术国家工程技术研究中心，郑州450000

摘要

聚合物加工技术是制造业的基石。在聚合物加工过程中，宏观性能和质量受微观和介观尺度上的结构演变调控。然而，不同尺度间的物理机制和控制方程存在显著差异，这被称为“尺度问题”。本综述的主要目的是总结当前在解决尺度问题及聚合物加工分析方法方面的最新进展。重点讨论多尺度分析和跨尺度相关性。我们系统地回顾了宏观、介观和微观尺度上的典型尺度效应及其相关问题，并列出了多尺度和跨尺度的分析方法。最后指出了跨尺度方法的关键点。总体而言，本文为研究人员提供了揭示不同尺度下潜在机制的宝贵资源，突出了这一快速发展领域的进步与挑战。

引言

聚合物加工技术，如注塑[1]、挤出[3]、3D打印[4]等，构成了制造业的基础。由于对轻量化和高性能的需求，聚合物在强度和成本方面比钢铁具有优势。应用范围从汽车内部零件和前大灯到手机相机模块和外壳，聚合物产品越来越趋向于高精度和大规模生产。然而，传统的“试错”方法以及实验设计方法（如田口法[5]和全因子设计[6]）本质上伴随着高成本和漫长的开发周期，阻碍了对潜在机制的理解。随着产品性能要求的提高，深入理解和精确控制聚合物加工变得至关重要。

聚合物加工本质上涉及跨尺度相关性，尺度问题贯穿整个过程。微观分子之间的相互作用影响其取向和结晶，从而决定产品的宏观性能。在微观尺度上，关键因素包括分子链构型[7]、段运动[8]、缠结密度[9]、分子量及其分布[10]。介观现象包括晶体形态（例如球粒、串烧状结构）、相分离结构（例如混合物、嵌段共聚物）、纤维取向、纤维预处理[11]和界面[12]。宏观属性包括产品形状、残余应力[13]、收缩/翘曲[14,15]以及焊缝线[16]等缺陷。宏观加工条件（如温度、压力和剪切速率）通过调节分子链动力学和组装来决定介观和宏观结构与性能。因此，有必要研究多尺度现象以阐明聚合物加工中的潜在机制。

物理机制和分析方法在各个尺度上有所不同。多尺度分析[17]需要在每个尺度上开发独立的模型，并在它们之间进行单向、顺序的信息传递。例如，界面能参数[18]通过分子动力学模拟计算，随后作为介观相场模型的输入来模拟相分离。相比之下，跨尺度方法整合了多个尺度，强调模型之间的强双向耦合和动态相互作用。目标是构建一个统一的计算框架，能够以自洽且连贯的方式描述从微观机制到宏观现象的转变。例如，在同时耦合的CFD-CGMD模拟中，宏观流场驱动粗粒化分子链（CGMD），而来自分子链动力学的局部应力则即时反馈到流体动力学方程中，调节整体流动演变。跨尺度方法旨在建立一个能够反映复杂跨尺度反馈循环的“数字孪生”系统。

聚合物加工是一个复杂的过程，多尺度分析提供了必要的基础，但由于流动、结晶和应力的即时且强烈的耦合，单凭多尺度分析是不够的。采用跨尺度视角和方法论能够捕捉非平衡和非线性动力学。因此，虽然本综述同时涉及多尺度方法和跨尺度概念，但它更侧重于从多尺度分析到跨尺度相关性的范式转变，体现了该领域的未来方向和前沿挑战。

本文全面概述了聚合物加工中的尺度问题和分析方法，重点关注多尺度和跨尺度视角（如图1所示）。通过探索这些领域，读者可以深入了解与尺度相关的挑战和相关方法。工作结构如下：第1节提供了聚合物加工中尺度问题的一般背景。第2节展示了典型的尺度问题。第3节总结了当前的多尺度和跨尺度分析方法。第4节展示了跨尺度发展的当前挑战和未来方向。

节片段

宏观尺度问题

宏观尺度的问题包括可观察和可测量的现象，这些现象影响聚合物加工中的产品尺寸、几何形状和性能。这些表现反映了介观和微观结构在宏观层面的综合演变，是过程控制和优化的主要目标。宏观挑战集中在质量、动量和能量的传输，以及相关场变量的空间分布上。

方法论概述与挑战

聚合物的多尺度分析旨在建立从分子运动到产品性能的定量预测桥梁。目标是将不同尺度的模型连接起来，实现过程参数、多物理场、微观结构演变和最终性能的闭环模拟。

面临的挑战包括四个方面。(a)时空尺度的差距：从原子振动（约10^-12秒，埃）到零件冷却（约10²秒，米）。(b)物理过程的耦合

结论与展望

本文系统地回顾了从多尺度和跨尺度视角解决聚合物加工中尺度相关挑战和分析方法的进展。通过分类宏观（流动、热传递、变形和缺陷）、介观（结晶、取向、相形态）和微观（分子链动力学、界面扩散、降解）尺度上的关键科学问题，并考察了计算和实验方法

CRediT作者贡献声明

刘文昊：方法论。赵南阳：撰写——初稿、验证、方法论。刘春泰：撰写——审阅与编辑。徐正斌：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、概念构思。沈长宇：资源提供。董斌斌：概念构思

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

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利益冲突声明

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致谢

本工作得到了河南省科学技术研究项目（编号：262102221019）、国家自然科学基金（编号：52573048）和浙江省顶尖人才专项支持计划（编号：2023R5218）的支持。

赵南阳是郑州大学先进聚合物加工技术国家工程技术中心的讲师。他于2025年在浙江大学获得博士学位，目前的研究兴趣集中在聚合物加工技术上。