具有可控可视微结构的高强韧水凝胶的制备及其多尺度力学研究

Study on the preparation, structure and properties of strong and tough hydrogels is a hotspot in the field of soft matter mechanics at present. Mechanical evolution of internal microstructure bridges the gap between molecular-scale structure and macroscopic mechanical performance for hydrogels. In this project, micron-scale microstructure pattern is in-situ synthesized to form interpenetrating network structure in hydrogel matrix by mask-based photolithography and double-network enhancement principle, producing strong and tough hydrogels with controllable and visible microstructure. The macroscopic mechanical performances of hydrogels with different microstructure are characterized systematically. Under a polarizing microscope, the deformation and fracture process of microstructure is observed in-situ during a load process, and further obtaining the variation on the local strain of microstructure with the global strain applied on hydrogel. By analyzing the relationships between macroscopic mechanical performance of hydrogel and the deformation and fracture process of microstructure, as well as between the deformation of microstructure and nano-scale bond rupture, the action mechanism of microstructure and the strengthening and toughening mechanisms of hydrogel are elucidated; depending on the study on microstructure, revealing the structure-property relationship between nano-scale bond rupture and macroscopic mechanical performance, so as to develop the research on multi-scale mechanics. This project will provide new materials, new technologies, new mechanism, and new methods for the design of strong and tough hydrogel and the further development of soft matter mechanics.

高强韧水凝胶的制备、结构和性能研究是目前软物质力学领域的研究热点。水凝胶内部微结构的力学演化过程对揭示材料分子尺度结构与宏观力学性能之间的相互关系起着重要的桥梁作用。本项目拟利用掩膜光刻法和双网络增强原理在水凝胶基质中原位合成微米尺度的微结构图案，形成互穿网络结构，制备具有可控可视微结构的高强韧水凝胶；系统表征具有不同微结构的水凝胶材料的宏观力学性能；利用偏光显微镜，原位观察微结构在加载过程中的变形破坏过程，获取微结构的局部应变随材料整体应变的变化规律；分析材料宏观力学性能和微结构变形破坏过程之间、微结构形变和纳观键断裂之间的相互关联，阐明微结构的作用机制以及材料的增强增韧机理，通过针对微结构力学问题研究的桥梁作用，定量揭示纳观键断裂和材料宏观力学性能之间的构效关系，开展多尺度力学研究。本项目的研究将为新型高强韧水凝胶材料的设计以及软物质力学的进一步发展提供新材料、新技术、新机理和新方法。

高强韧水凝胶在软体机器人、柔性器件和组织工程等方面有着广泛的应用。传统的高强韧水凝胶大多基于材料设计，而本项目从结构设计的角度提出了一种全新的强韧化设计原理。本项目制备了一种具有可控可视微结构（条纹图案）的高强韧水凝胶，并以其为研究对象，以微结构的变形破坏过程为切入点，采用多尺度的力学研究方法阐明了微结构的作用机制以及材料的增强增韧机理。具体研究结果如下：（1）利用掩膜光刻法和三步顺序聚合法在水凝胶基质中原位合成微米尺度的条纹图案，形成互穿网络结构和软硬复合结构，同时提高了材料的强度和韧性。（2）通过单轴拉伸和纯剪切测试，发现最优条件下制备的具有条纹图案的复合水凝胶的断裂强度为1.2MPa，断裂韧性为5821J/m2，远远高于对应的软凝胶和硬凝胶。（3）通过原位观察复合水凝胶的拉伸过程，发现其发生了先软相后硬相的变形破坏过程。（4）复合水凝胶的高强度来源于硬相的高交联网络，高韧性来源于硬相的牺牲键断裂以及裂纹尖端处去集中的应力。本项目的研究将为新型高强韧水凝胶材料的设计以及软物质力学的进一步发展提供新材料、新技术、新机理和新方法。