聚合物凝膠的力-熱-光-化學耦合變形機理研究

《聚合物凝膠的力-熱-光-化學耦合變形機理研究》是依託西安交通大學，由劉子順擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：聚合物凝膠的力-熱-光-化學耦合變形機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉子順
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

隨著軟物質的廣泛套用，軟物質力學的研究已成為相關學科的一個熱點研究方向。典型的軟物質材料聚合物凝膠具有可逆大變形的性質，在不同環境條件下其力學行為會發生變化。目前國內外有關凝膠變形的研究工作局限於平衡狀態下的凝膠模型，對其動態變化特性的研究較少，也沒有統一的凝膠變形本構理論。本項目從理論、數值和實驗三個方面，採用凝膠的單相理論，探討凝膠在力-熱-光-化學多場耦合激勵下的變形機理，並研究凝膠的穩、瞬態動力學變形行為。首先，建立凝膠大變形的本構理論，開發有效且穩健的凝膠大變形穩、瞬態動力學子程式庫。其次，進行複雜水凝膠結構的數值模擬研究。此外，實驗研究聚合物凝膠在變形過程中的力學行為，從而強化所建立的本構理論並證明其正確性，形成更為一般的單相凝膠超彈性力學理論，為聚合物凝膠在軟器件中的實際套用奠定有效的研究基礎。

結題摘要

隨著軟機器的發展，軟物質力學的研究已成為力學學科的一個重點研究方向。聚合物凝膠作為一種軟機器的典型候選軟材料，它具有可逆大變形的性質，在不同環境條件下其力學行為會發生變化。本項目對聚合物凝膠的力-熱-光-化學耦合變形機理及變形特性進行了深入的研究。在理論方面，研究了凝膠在不同刺激條件下（例如：力、熱、光、磁、pH值等作用下）的力學變形機理，提出不同激勵條件下凝膠大變形的本構理論。通過對提出的新的本構理論的有限元實現，發展了模擬凝膠大變形的數值模擬計算方法，並開發了相應的聚合物凝膠有限元子程式庫。通過把開發的子程式庫同商業軟體ABAQUS結合，完成了凝膠的穩、瞬態動力學變形行為的數值模擬。通過數值模擬我們揭示並解釋了一些新的物理現象。此外，藉助於建立的軟機器實驗室，我們搭建了軟物質凝膠研究的實驗平台並自製了測定水凝膠變形及其水凝膠複合結構變形模式的特殊實驗裝置。通過聚合物凝膠變形過程中各種力學行為的實驗研究，對凝膠大變形理論進行了實驗驗證，從而強化完善了所建立的凝膠大變形本構理論並驗證了提出的理論的有效性及可靠性。其重要結果包括：在熱敏凝膠本構理論的基礎上，我們首次提出了光熱敏感和磁熱敏感水凝膠的本構理論，並利用有限元軟體對該本構關係完成了UMAT子程式庫的開發。為了擴展聚合物凝膠的套用範圍，我們又進一步對於各向異性的水凝膠材料提出了新的本構關係，並對典型的各向異性凝膠結構進行了數值模擬。此外，課題組利用模擬與實驗相結合的方法對水凝膠及其複合結構材料的失穩現象進行系統的研究，發現了新的超材料特性，包括負泊松比特性及變形模式轉換特性等。通過分子動力學模擬，本課題首次研究了原子級別下聚合物鏈段吸收水分子形成水凝膠的溶脹過程。此研究為從原子級別深入了解水凝膠的溶脹過程及變形機制、並為巨觀連續介質力學的研究提供了基礎參數。此理論成果，數值模擬方法及實驗裝置為聚合物凝膠在軟機器軟器件中的實際套用奠定了研究基礎。