基于扩散的磁性水凝胶力磁耦合大变形理论与实验研究

Recently, magnetic hydrogels have found more and more applications in the field such as drug release, photonic crystals, actuators and artificial muscles. The response of magnetic hydrogels in the magneto-mechanical coupling environment determines their functions in real applications. However, the theoretical and experimental research on the mechanical properties of magnetic hydrogels is lacking, which hinders the development of magnetic hydrogels. The main magneto-mechanical coupling problems for magnetic hydrogels include: the lack of the diffusion mechanism of the solvent molecules in the magnetic field; the effect of the distribution manner of magnetic particles on the diffusion behavior of solvent molecules inside magnetic hydrogels and the absence of the magneto-mechanical coupling model of magnetic hydrogels based on the diffusion mechanism. In this project, we will study the mechanical behaviors of magnetic hydrogels in the magneto-mechanical coupling environment. Firstly, we will design the magnetic device and the experimental system to conduct the diffusion experiment in the magnetic field and then propose a diffusion mechanism for explaining the experimental results. Secondly, we will tune the distribution manner of magnetic particles inside magnetic hydrogels such as periodic distribution and gradient distribution, and carry out diffusion experiment of these samples in the magnetic field. The effect of the distribution manner of magnetic particles on the diffusion of solvent molecules will be explored. Thirdly, we will establish the magneto-mechanical coupling model for the large deformation of magnetic hydrogels, according to the experimental diffusion mechanism. The model will be adopted to solve the boundary value problem in the magneto-mechanical coupling environment. It is supposed to obtain innovative experimental and theoretical results, which will provide guidance for the application of magnetic hydrogels.

磁性水凝胶近年来发展迅速，在药物释放、驱动器和人造肌肉等方面展现出良好的应用前景。然而目前关于磁性水凝胶的力学理论与实验研究非常缺乏，大大限制了该领域的进一步发展。磁性水凝胶中亟待解决的力磁耦合问题包括： 磁场对于溶剂分子在磁性水凝胶内部扩散的调控机理尚不清楚；磁性粒子的排布方式对于磁性水凝胶中溶剂分子扩散的影响规律未被研究; 考虑溶剂分子扩散的磁性水凝胶的力磁耦合大变形模型尚未建立。本项目通过实验与理论结合的方法，拟开展磁性水凝胶中溶剂分子在磁场下的扩散实验，提出磁性水凝胶中溶剂分子扩散的磁场调控机理；揭示不同的磁性粒子排布方式对于磁性水凝胶扩散行为的影响规律；结合磁场下的扩散规律，建立考虑溶剂分子扩散的磁性水凝胶的力磁耦合大变形模型，解决磁性水凝胶在复杂变形状态下的力磁耦合问题。期望在力磁耦合环境下磁性水凝胶的实验表征与理论方面取得原创性成果，为磁性水凝胶的应用提供理论基础和技术支撑。

磁性水凝胶在软体机器人，变形驱动器和磁热治疗等方面具有重要的应用。然而多数磁性水凝胶力学性能较差，大大限制了该领域的进一步发展。具有形状变形功能的水凝胶已在仿生，软机器和生物医学工程中得到了很多的应用。磁场对于水凝胶的特定应用十分有利，这是因为磁场驱动方式是非接触的，且高的场强是生物相容的。但是，因为通常磁性水凝胶的磁化强度太低而无法在静磁场下驱动，所以大多数磁性敏感的形状变形结构是由弹性体而不是水凝胶制成的。本项目研究了磁性水凝胶的变形以及高强度高断裂韧性的磁性水凝胶的制备，并对研究内容进行了拓展，研究了软材料的3D打印。主要研究内容包括：（1）提出了一种策略来实现磁性水凝胶的形状变形功能，通过交变磁场驱动磁性温敏水凝胶，其中磁性聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶可以被交变磁场加热，并且在高温下会发生巨大的体积缩。我们在弹性体基底上设计磁性水凝胶条的分布模式，以获得各种二维和三维的形状。（2）提出了一种溶液浸泡的策略来制备韧性极好的磁性纳米复合水凝胶。通过这种方法，可以同时解决磁性水凝胶的两个普遍问题：较差的力学性质和较差的粒子分布。该磁性纳米复合水凝胶的断裂韧性高达11000J/m2， 是目前韧性最好的磁性水凝胶之一。（3）提出一种软结构3D打印的强韧粘接技术，实现了具有超强界面粘接的水凝胶/弹性体亲疏水异质结构的打印，不同于常规的表面改性，采用本体改性的策略，打印试样的粘接能可达5000 J/m2 以上。为软结构的3D打印提供了一种通用的解决方案，在可拉伸器件、软机器等领域具有良好的应用前景。（4）将橡胶断裂理论与3D打印技术相结合，研发了抗疲劳橡胶弹性体，实现了500 J/m2以上的疲劳门槛值，比现有橡胶弹性体高一个数量级，该抗疲劳橡胶弹性体的研发可能为其长期服役提供新的方法。