柔性聚电解质自振荡凝胶器件的大变形与化学振荡耦合问题

在众多生物、柔性机器人、化学、电化学以及电池等应用领域，具有类生物活性的仿生软器件的研究倍受关注。将化学反应嫁接到软聚电解质凝胶中，研制出不依靠外界刺激，完全利用机械变形与化学振荡耦合的自振荡凝胶器件，是实现仿生柔性机械的途径之一。而要实现软机械的创新设计和程序化调控，理解自振荡凝胶柔性器件在湿润工作环境下的力学大变形与反应-扩散耦合和反馈机制成为关键。项目拟从热力学和电化学基本方程出发，提出考虑大变形连续介质力学与离子传输、化学振荡耦合的自振荡凝胶动力学模型，重点研究反离子扩散对凝胶变形的影响，凝胶与外界溶液的界面特性和双电层形貌演化，自振荡凝胶中化学反应的双稳定性和迟滞现象及凝胶变形对化学振荡的反馈机制，并给出有限元数值求解方法和多物理场仿真程序。为仿生软机械的虚拟设计和力-电-化耦合分析提供有价值的的参考模型、数值算法和仿真平台。

项目建立了聚电解质凝胶大变形与化学振荡耦合的热力学理论模型，研究了自振荡凝胶力－化耦合的非线性动力学行为及其调控机制。提出了一种以海藻酸钠和丙烯酰胺为单体，用多种阳离子制备高强水凝胶的两步合成法，制备出了具有优越力学性能的高强水凝胶，其拉伸强度~900kPa，模量~200kPa，拉伸比~15。通过将水凝胶中加入电解质，制备出透明、可拉伸的电解质离子导体，实验测试了该离子导体驱动柔性聚合物驱动器的电致变形。建立了柔性凝胶器件在外界激励下变形的多物理场模型，提出了新的变形－扩散耦合模型，基于有限元方法，数值模拟了pH敏感凝胶微流体控制阀、温度敏感凝胶自折叠结构、聚电解质凝胶弯曲梁自振荡驱动器等典型柔性器件的变形、接触与失稳问题。提出了一种模拟柔性介电弹性体薄膜三维大变形与失稳的动态有限元方法，提出了一种条件极化模型，研究了介电弹性体器件力电耦合大变形与失效机理。在ACS Appl. Mater. Interfaces、Soft Matter、Appl. Phys. Lett.等期刊发表论文20篇，录用2篇，培养博士生1名，硕士生4名。