智能软材料考虑溶胀效应情形的孔洞力学行为研究及调控

Void behavior, rupture prediction model as well as experimental testing of the soft active materials considering the swelling effect are investigated in this project. For the investigation on void behavior, the nonlinear mechanical model considering both the swelling effect and the surface energy effect is constructed based on the nonlinear field theory. Combined with the state space method, an effective and stable method is developed to solve the nonlinear governing equation of the layered and functionally graded soft active materials. For the investigation on rupture behavior, the theoretical model is proposed for predicting the void from the constriction state to expansion state and finally growing to rupture. The mechanism of the rupture of the soft active materials considering the swelling effect is studied. For the investigation on experimental testing, the measurement setup and the testing method are developed. The void behavior and the rupture behavior are studied experimentally. The effect of the swelling effect on the rupture behavior of the soft active materials is investigated. The comparison between the proposed theoretical rupture model and the experimental results is performed. The control of the void behavior in the soft active materials considering the swelling effect is explored. The outcome can serve as the theoretical basis and technical support for improving and designing of the new smart soft actuators, microfluidic systems as well as soft robots.

本研究开展考虑溶胀效应情形智能软材料中孔洞非线性大变形力学行为及其断裂的理论分析和实验研究。在孔洞非线性大变形力学行为方面：基于非线性连续介质力学的有限变形理论框架，建立同时考虑溶胀效应和孔洞表面能情形的非线性力学分析模型，针对层合和功能梯度软材料的大变形非线性问题，结合状态空间法，发展高效和稳定的非线性场的求解方法；在断裂的理论分析方面：建立考虑溶胀效应情形智能软材料由微孔演变至宏观断裂的理论预测模型，揭示智能软材料在溶胀状态下断裂的内在机理；在实验研究方面：设计相关的实验装置和测试方法，开展溶胀软材料孔洞的力学行为和断裂行为的实验研究，研究溶胀程度对断裂行为的影响，并开展断裂预测模型与实验结果的相互对比和印证。研究考虑溶胀效应情形智能软材料中孔洞力学行为的调控方法，对新一代智能软材料作动器、微流体器件和软体机器人的设计和开发，提供理论依据和技术支持。

本研究开展考虑溶胀效应情形智能软材料中孔洞非线性大变形力学行为及其断裂行为的理论和实验研究。在孔洞非线性大变形力学行为方面：基于有限变形理论框架，建立同时考虑溶胀效应和孔洞表面能的非线性力学分析模型，发展高效和稳定的非线性场的求解方法。针对单层功能梯度球形水凝胶在内压和化学势共同作用下的化学力学耦合行为，分析了梯度指数、亲疏水特性、切变模量以及环境化学势等对水凝胶溶胀性能的影响。研究表明当内压超出某临界值时球形水凝胶结构将发生失稳，且其临界内压值可通过材料参数进行调控。针对双层球形水凝胶，分别开展了自由溶胀、内表面固定和内表面受压三种情况下的溶胀大变形行为。结果表明，内表面固定的双层球形水凝胶中物理场的分布与各层水凝胶的材料参数均有很大关系；对于内表面受压情况，Gent模型下的内压-位移曲线会呈现为“N”形曲线，且预测到会发生溶胀引起的跃变现象，且跳跃值大小可以进行调控。对于径向多层柱形水凝胶，开展了有限元数值分析，并针对高弹体封隔器的应用背景进行了材料参数对封隔压力的影响分析。在断裂行为分析方面：基于全网络模型研究了水凝胶在自由溶胀和约束溶胀情形下宏观网络和微观单链的变形。模型中假设网络与单链变形存在非仿射关系，同时考虑单链受到类似圆管状的约束。研究发现，在自由溶胀情形下，网络与单链的变形相一致；在约束溶胀情形，网络与单链变形存在显著差异。由此可以揭示智能软材料在溶胀状态下断裂的内在机理。在实验研究方面：利用单边裂纹断裂实验研究拉伸速率和溶胀率对聚丙烯酰胺水凝胶断裂敏感缺陷长度的影响。实验结果表明，断裂敏感缺陷长度随溶胀率的增加而有所增加，材料的初始弹性模量、断裂能和断裂时的应变能密度随溶胀率的增加而明显降低。本研究可对考虑溶胀效应情形智能软材料力学行为的调控以及对新一代智能软材料作动器、微流体器件和软体机器人的设计和开发，提供理论依据和技术支持。