聚合物凝胶的力-热-光-化学耦合变形机理研究

Soft materials have been a subject of great interest to researchers in engineering, material science and biomedical disciplines due to the wide array of applications offered. The research on the mechanics of soft materials has become a very popular research topic. The polymeric gel, a typical soft material, has recently attracted much attention, due to their unparalleled responsiveness to stimuli of various kinds, such as temperature, pH value, light, ionic strength, etc. The unique properties of polymeric gels lie in the abilities to allow for large reversible deformation and phase transitions in response to environmental stimuli. Previous research works on gel deformation were mostly focused on the equilibrium state of the gels. Comparatively, there is much less research on precisely describing the kinetics of deformation of the gels. Meanwhile, there is no unified constitutive theory for gel mechanics behavior. In this proposal, based on gel mono-phase deformation theory, we will try to study the mechanic behavior of gel and establish a unified constitutive theory for the steady and transient states of deformation of gels under the coupled physical stimuli. The subject is approached by employing theoretical analysis, numerical simulation and experiment methods. First, we will establish an appropriate constitutive theory for gel large deformation and develop an effective and robust gel subroutine library for studying gel deformation of steady and transient states. Then, combined with commercial finite element software, we will carry out nonlinear large deformation modeling and simulation for abundant gels. In addition, we will try to set up the experimental workbench to test the accurate deformation of gels and to measure the mechanic behavior during the static and dynamics processes, thus giving a rigorous proof for the established gel constitutive theory. Finally, we extend into a more general mono-phasic hyperelastic gel theory, thereby to provide an effective and useful tools for the future gel applications.

随着软物质的广泛应用，软物质力学的研究已成为相关学科的一个热点研究方向。典型的软物质材料聚合物凝胶具有可逆大变形的性质，在不同环境条件下其力学行为会发生变化。目前国内外有关凝胶变形的研究工作局限于平衡状态下的凝胶模型，对其动态变化特性的研究较少，也没有统一的凝胶变形本构理论。本项目从理论、数值和实验三个方面，采用凝胶的单相理论，探讨凝胶在力-热-光-化学多场耦合激励下的变形机理，并研究凝胶的稳、瞬态动力学变形行为。首先，建立凝胶大变形的本构理论，开发有效且稳健的凝胶大变形稳、瞬态动力学子程序库。其次，进行复杂水凝胶结构的数值模拟研究。此外，实验研究聚合物凝胶在变形过程中的力学行为，从而强化所建立的本构理论并证明其正确性，形成更为一般的单相凝胶超弹性力学理论，为聚合物凝胶在软器件中的实际应用奠定有效的研究基础。

随着软机器的发展，软物质力学的研究已成为力学学科的一个重点研究方向。聚合物凝胶作为一种软机器的典型候选软材料，它具有可逆大变形的性质，在不同环境条件下其力学行为会发生变化。本项目对聚合物凝胶的力-热-光-化学耦合变形机理及变形特性进行了深入的研究。在理论方面，研究了凝胶在不同刺激条件下（例如：力、热、光、磁、pH值等作用下）的力学变形机理，提出不同激励条件下凝胶大变形的本构理论。通过对提出的新的本构理论的有限元实现，发展了模拟凝胶大变形的数值模拟计算方法，并开发了相应的聚合物凝胶有限元子程序库。通过把开发的子程序库同商业软件ABAQUS结合，完成了凝胶的稳、瞬态动力学变形行为的数值模拟。通过数值模拟我们揭示并解释了一些新的物理现象。此外，借助于建立的软机器实验室，我们搭建了软物质凝胶研究的实验平台并自制了测定水凝胶变形及其水凝胶复合结构变形模式的特殊实验装置。通过聚合物凝胶变形过程中各种力学行为的实验研究，对凝胶大变形理论进行了实验验证，从而强化完善了所建立的凝胶大变形本构理论并验证了提出的理论的有效性及可靠性。其重要结果包括：在热敏凝胶本构理论的基础上，我们首次提出了光热敏感和磁热敏感水凝胶的本构理论，并利用有限元软件对该本构关系完成了UMAT子程序库的开发。为了扩展聚合物凝胶的应用范围，我们又进一步对于各向异性的水凝胶材料提出了新的本构关系，并对典型的各向异性凝胶结构进行了数值模拟。此外，课题组利用模拟与实验相结合的方法对水凝胶及其复合结构材料的失稳现象进行系统的研究，发现了新的超材料特性，包括负泊松比特性及变形模式转换特性等。通过分子动力学模拟，本课题首次研究了原子级别下聚合物链段吸收水分子形成水凝胶的溶胀过程。此研究为从原子级别深入了解水凝胶的溶胀过程及变形机制、并为宏观连续介质力学的研究提供了基础参数。此理论成果，数值模拟方法及实验装置为聚合物凝胶在软机器软器件中的实际应用奠定了研究基础。