铁凝胶力磁耦合宏细观统一本构模型

With the advantage of flexibility and excellent magnetic-mechanical functions, ferrogel has been widely used in biomedical instruments and control units, such as soft robotics, artificial muscles, drug delivery, soft pressure transducers, and actuators. The constitutive model of ferrogel is used to analyze and predict the coupled magnetic and mechanical behaviors, making it an essential part in designing smart materials and devices of ferrogel. Existing models study macroscopic behaviors and microscopic mechanisms separately. While most microscopic models can not illustrate the large deformation and instability at the macro level, macroscopic models often ignore the underlying physical mechanism, limiting the feasibility of these models. Based on the home-fabricated ferrogel, and the information such as the distribution of magnetic particles, chain structure and macroscopic observations, we propose to establish a unified macro-micro constitutive model of ferrogel via combined experimental and theoretical studies. The constitutive model will be implemented into a finite element modeling program, to analyze the large deformation and instability of ferrogel with relative simple structures, and to design functional material. Such studies will validate the proposed constitutive model, and furthermore, will provide a theoretical guidance on designing and optimizing ferrogel smart materials and devices.

铁凝胶由于其优异的力磁耦合性能与柔软性，近年来在柔性机器人，人造肌肉，药物释放，柔性压力传感器,作动器等生物器件与控制领域广泛应用。为了分析和预测铁凝胶的力磁耦合行为，更好的优化和设计铁凝胶智能器件与材料，对其本构模型开展研究是必要的。但目前学者对铁凝胶的本构研究将细观模型与宏观模型分别考虑，细观模型不能反应铁凝胶粘弹性、失稳等宏观行为，宏观模型不能反应细观因素导致的模量变化，失稳等物理机制。使得模型具有局限性。本项目拟在本单位研制的铁凝胶材料基础上。结合铁凝胶磁性粒子分布，链式结构等细观信息与宏观力磁耦合行为，采用实验与理论结合的方式建立铁凝胶宏细观统一本构模型。应用模型与有限元方法结合，分析和预测铁凝胶简单结构的粘弹性、失稳行为，设计功能结构材料。采用铁凝胶简单结构和材料的实验验证模型的有效性。通过这些研究为铁凝胶在生物智能器件与材料的优化设计方面提供理论指导。

铁凝胶材料的应力—阻抗效应可应用于柔性传感器开发，应用于曲面小间隙挤压应力的实时检测/监测，在不改变产品真实状态的条件下，实时、真实地掌握相关部件的受力情况，使我国武器可通过尽可能少的装配次数、较短的装配时间获得最佳的装配状态，并掌握产品准确的预紧力性能参数，为武器优化设计、产品装配等提供准确有效的技术参数。铁凝胶材料的力磁耦合特性还可应用于柔性机器人的关键部件，潜艇内衬智能降噪，武器部件的智能抗冲击防护等领域。本项目研究成果为实现上述应用提供了较好的理论基础。. 本项目制备了各向同性与各向异性的铁凝胶材料，形成了成熟的工艺。根据在外磁场作用下的颗粒运动方程，应用颗粒动力学分析方法，建立起磁敏颗粒的运动方程。可以预测颗粒聚集微观结构的形成及演化过程，有助于指导材料的制备和性能改进。基于MTS/RT-5材料试验机改装，配套了磁场加载系统，搭建了力磁耦合测试系统。可实现0-1000mT，0-5kN的力磁耦合加载测试。利用搭建的力磁耦合测试系统，研究了各向同性、横观各向异性铁凝胶在不同外磁场作用下的拉伸、压缩、剪切性能。为本构模型建立提供了相关参数。建立了各向同性、横观各向异性铁凝胶的非力磁耦合本构模型。基于分子动力学模拟方法，模拟铁凝胶的形成，并以此为初始构型，建立力磁耦合细观数值模型。从材料的微观结构出发，考虑整条链结构中所有偶极子之间的相互作用以及链与链之间的相互影响，提出了一种表征铁凝胶的力-磁耦合特性的本构模型。该模型建立起了铁凝胶的微观结构和宏观力学性能之间的联系，解释了材料的力-磁耦合机理。理论模型与实验结果吻合较好，该模型能够准确描述材料的拉伸性能。基于宏细观模型开展了铁凝胶的热传导研究。结果可以与理论与实验结果进行对比，得到理论和实验无法得到的关于内部温度分布的细节信息，对于深入理解材料的热传导机理非常有帮助。基于铁凝胶理论模型，开发了柔性铁凝胶材料的阵列传感器。