力-磁-化学多场耦合下磁性水凝胶结构变形机理研究

With the blooming development of the soft device, magnetic hydrogels as a new smart material have attracted worldwide attention. Magnetic hydrogels are kinds of composite gel material embedding different micro-nano magnetic particles. When exposed in the magnetic field or under other stimuli, magnetic hydrogels will deform with the motion of solvent molecules and magnetization of magnetic particles, thus leading the change of volume or material properties. In this proposal, we try to explore the deformation mechanism of magnetic hydrogels subjected to mechano-magneto-chemo changes through theoretical analysis, numerical simulation and experimental study. First, we establish an appropriate constitutive theory for magnetic hydrogels on large deformation. Subsequently, we program the subroutines on the large deformation of magnetic hydrogels and numerically simulate complex structures of magnetic hydrogels. Finally, we set up the experimental research on the mechanic behavior of magnetic hydrogels and figure out how these parameters including magnetic strength, shear modulus and volume fraction of magnetic particles make an effect on the mechanical properties. We improve the constitutive model of the magnetic hydrogels and clarify the physical interpretation of model parameters, having a better understanding of the deformation mechanism of magnetic hydrogels and laying an effective research foundation for the further practical application of magnetic hydrogels or even gel composite structures.

随着智能软材料器件的蓬勃发展，磁性水凝胶作为一种新型智能材料，受到了广泛关注。磁性水凝胶是在聚合物凝胶中嵌入不同微纳米磁性粒子形成的凝胶复合材料。当受到磁场或其他外界刺激影响下，由于溶剂分子的迁移和磁性粒子的磁化效应，其体积或材料性能发生变化。本项目拟通过理论、模拟和实验三种研究方法相结合，探讨磁性水凝胶在力-磁-化学多场耦合下的变形机理。首先，建立描述磁性水凝胶大变形的本构理论。其次，开发相应的磁性水凝胶变形的子程序，实现磁性水凝胶复杂结构力-磁-化学多场耦合大变形有限元数值模拟。最后，对磁性水凝胶进行力学特性测试，对磁性和力学特性的影响进行参数研究，包括磁性强度、剪切模量和磁性颗粒的体积分数等，进一步完善变形理论及其本构关系，明确模型参数的物理意义，更全面地了解磁性水凝胶的变形机理，为磁性水凝胶甚或凝胶复合结构进一步实际应用奠定有效的研究基础。

磁性水凝胶是将各类磁性微纳米粒子嵌入聚合物水凝胶中形成的复合凝胶材料。在施加外磁场时，磁性水凝胶中的磁性粒子发生磁化并伴有溶剂分子的迁进迁出，从而实现远程驱动控制形变。磁性水凝胶中物质组成的多样性和工况环境的复杂性，导致缺乏一种有效的力学模型来描述磁性水凝胶的变形过程。本项目从热力学角度对磁性水凝胶变形特性开展有效的理论、模拟及实验研究，对力-磁-化学多场耦合下磁性水凝胶变形行为进行较为系统的研究。基于凝胶单相理论，我们构建了磁性水凝胶在力-磁-化学多场耦合下的理论模型，实现多场耦合下磁性水凝胶大变形有限元仿真模拟。为验证磁性水凝胶的理论模型的可靠性，将磁性水凝胶的数值模拟结果与理论模型进行对比，具有很好的一致性。此外，我们还开展了磁性水凝胶力学特性实验，并对磁性水凝胶进行胞元构型或复合结构设计，使其产生特殊材料性能，实现以磁性水凝胶材料为载体的制动器结构的驱动设计应用。上述研究工作的主要结论如下：.（1）基于连续介质热力学，对内核为热敏性水凝胶聚合物长链的磁性水凝胶的溶胀变形进行了研究。通过推导此类磁性水凝胶的热力学平衡方程，得到力-磁-化学多场耦合下磁性水凝胶的本构方程。.（2）通过编写有限元的用户子程序UHYPER，只需改变材料参数即可实现磁性水凝胶复杂结构在力-磁-化学多场耦合下溶胀变形的数值模拟。.（3）对于磁性水凝胶，编写了UMAT用户子程序，实现初始伸长率不同的磁性水凝胶各向异性溶胀变形，进一步解决了UHYPER使用的局限性。.（4）对磁性水凝胶进行胞元构型或复合结构设计，使其产生特殊材料性能，实现以磁性水凝胶材料为载体的制动器结构的驱动设计应用。