聚电解质凝胶的力-化-电动态耦合机制研究

As typical smart soft materials, polyelectrolyte gels can present a large deformation induced by environmental temperature, electric field and chemicals, which maintain great potentials in soft actuator, environmental sensor, drug delivery, etc. The response behavior of polyelectrolyte gels mostly involves complicated chemical reaction and physical changes, and the investigation of their dynamic coupling mechanism plays an essential role for the application of these smart materials. Through theoretical and experimental approaches, the coupling mechanism of reaction kinetics, deformation of polymer network, mass diffusion and electric field in the gels will be uncovered, and a general dynamic electro-chemo-mechanical model will be proposed for most polyelectrolyte gels. Furthermore, based on the theories of micro-indention and electrochemical measurement, the related mechanical and electrochemical parameters will be tested to support the theoretical and numerical analysis. Additionally, the influence of time and length scales on the dynamic behavior of polyelectrolyte gels will be fully probed. Finally, with the above theories and experiments, this project will further analyze and optimize the dynamic performance of several typical designed polyelectrolyte devices, which is supposed to lay significant foundations for the application of these smart soft materials.

聚电解质凝胶作为一类典型的智能软材料，对环境温度、电场、化学物质等外界刺激具有显著的大变形响应，其在柔性驱动、环境传感、药物释放等领域具有广阔的应用前景。大多数聚电解质凝胶的刺激响应过程涉及复杂的化学反应与物理变化特征，其耦合动力学机制研究是该智能材料迈向实际应用的关键环节。本项目将通过理论与实验相结合的方式，重点研究聚电解质凝胶内的反应动力学、聚合物网络变形、物质扩散以及电势场作用之间的相互耦合机制，建立适用于多种聚电解质凝胶的力-化-电动态耦合模型。此外，基于微尺度压痕和电化学测量原理，研究软材料的力学、电化学参数的实验测量方法，为理论模型和数值模拟提供可靠的数据支持，并系统分析不同时间尺度和空间尺寸对聚电解质凝胶动态耦合特性的影响规律。最后，利用上述理论模型与实验方法，设计并分析若干典型聚电解质凝胶器件的动态响应特征和性能优化方法，为这种智能软材料的广泛应用奠定重要基础。

聚电解质凝胶可在环境温度、电场、化学物质等多种外界刺激下产生显著的大变形响应，其在柔性驱动、环境传感、药物释放等领域具有广阔的应用前景。大多数聚电解质凝胶的刺激响应过程涉及复杂的化学反应与物理变化特征，其耦合动力学机制研究是该类智能材料迈向实际应用的关键环节。. 本项目通过理论与实验相结合的方式，对上述问题进行了研究。主要研究了聚电解质凝胶材料内的非平衡化学反应动力学、聚合物网络变形、离子扩散等多物理场之间的相互耦合机制，建立了适用于多种聚电解质软材料的力-化-电动态耦合模型。在此模型基础上，针对pH响应凝胶材料的变形行为进行了数值模拟，模拟结果与实验数据吻合良好。 此外，利用有限元分析方法，对复合型软材料在不同外加力场下的大变形行为进行了数值仿真。. 自主研制了具有双轴和多轴拉伸功能的软材料测试系统，实现了材料变形过程中的夹具同步滑移和双向力解耦问题，可用于研究软材料在复杂力学加载情况下的大变形行为特性。基于该测试系统，深入研究了软材料预拉伸、加载电压以及力电转化效率之间的关系。类似地，基于自主研发的软材料微尺度压痕测试系统，分析了软材料的弹性模量、泊松比、扩散系数等参数。此外，研究了聚电解质凝胶的平衡溶胀比、等效交联密度等参数的测试方法，为软材料的模型参数确定提供参考。. 根据上述理论模型与实验方法，设计并分析了若干典型智能软材料器件，包括基于pH响应凝胶的自适应阀门装置，基于离子液体凝胶的透明柔性电极驱动器，基于聚电解质水凝胶的人工神经纤维，基于复合型软材料的触觉反馈系统等。针对上述典型器件的结构设计与性能分析为智能软材料的相关应用提供一定参考。