智能材料化学——力学耦合问题解析解

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许多刺激响应性材料,特别是聚合物胶体,由于广泛应用于机械,化学,材料工程以及生命科学等多个领域而备受关注。对于电化学和生理环境下的聚合物胶体,化学场变化能够引起这类材料膨胀或收缩等力学变形,另一方面,力学变形也会对化学场造成影响。这种共存的物理过程体现了力学场与化学场的相互耦合和相互影响。本文重点对聚合物胶体的化学-力学耦合行为进行了理论研究,主要贡献包括以下几个方面。  本文首先利用扩展的Gibbs自由能密度函数给出了耦合介质的基本方程(如控制方程和本构关系),进而构造了这种线性化学-力学耦合系统的变分原理,并证明了该理论框架的封闭性。  对承受单向载荷的聚合物胶体,基于化学-力学耦合理论和相应的边界条件,给出了力学变形和离子浓度分布的解析解。利用得到的解析公式,研究了线弹性各向同性聚合物胶体分别在静态均匀面力载荷,线性浓度分布载荷和动态指数面力载荷作用下的位移、应力、浓度和化学势分布情况。  对半空间体介质的化学.力学耦合问题,利用给定的边界条件,分别得到了力学场和化学场的解析解。相应地,本文考察了半空间聚合物胶体分别在静态均匀面力载荷,线性浓度分布载荷和动态指数面力载荷作用下的位移、应力、浓度和化学势分布情况。  本文基于线性化学-力学耦合理论框架,推导了几种简单结构聚合物胶体的化学场与力学场的解析解。数值结果表明,化学场与力学场存在明显的耦合作用。本文工作对深入理解刺激响应性材料的多场耦合机制具有一定的学术价值和应用意义。
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