聚乙烯醇(PVA)水凝胶与人体软骨组织具有相似的结构以及高含水量,而且生物相容性优越,是软骨修复、替换的潜在材料,因此对其力学性能的全面了解非常重要。同时作为共性存在问题,水凝胶在压缩过程中挤压失水现象的实验表征、机理和对力学行为影响等尚待深入探索。本文以PVA水凝胶为研究对象,对水凝胶存在的共性问题开展研究。本文首先发展了水凝胶实验表征方法,提出了几个提高水凝胶材料实验数据可靠度的技术要点,并测量了PVA水凝胶在准静态压缩载荷下的挤压失水和压缩应力应变关系、拉伸强度和拉伸应力应变关系;其次从理论上揭示了水(包含失水)在水凝胶力学行为中的重要作用;最后通过发展水凝胶的细观模型对水凝胶的力学行为和压缩失水行为进行表征。论文的具体内容包含:(1)制作了不同含水率的PVA水凝胶试件,并对其进行了准静态单轴压缩测试。发现试件端面的平整度以及在空气中材料水分的自然蒸发现象等会严重影响实验测量结果,因此提出了设计特制模具,和使用冷冻切片机磨平试件的方法以保证试件端面的平整度,又设计了简易装置用于减小试件周围的空气流动以达到减缓材料水分自然蒸发速度的目的。(2)提出了一种免夹持的水凝胶单轴拉伸强度测试技术。该技术使用悬挂的方式代替传统的夹持模式将试件安装到试验机上,能够有效保证试件在拉伸过程中不发生滑移,并能使试件在均匀区(试件中部)断裂,保证试验结果的可靠性。利用该技术,精准测量出了PVA水凝胶的拉伸应力-应变曲线和拉伸强度,并获得了拉伸强度随含水率的变化规律。(3)在单轴压缩测试的基础上,提出了一种基于数字图像法的测量水凝胶试件体积随应变变化的测试技术,该技术利用荧光粉增强了图像对比度,还通过两台从不同角度拍摄的相机检测试件变形的均匀性。实验发现,PVA水凝胶的失水率虽然会随应变的增加而增大,但会逐渐趋于定值。为了探究压缩失水率与应力之间的关系,通过增加考虑水的应变能对总体Helmholtz自由能的影响改进了Cai-Suo理想弹性凝胶状态方程,使该方程适用于研究水的作用(包括失水效应)对应力的影响。结合实验值与改进后的方程可发现,水对水凝胶压缩应力的贡献与聚合物纤维网络在量级上相同。(4)为探究水凝胶材料在单轴静态压缩载荷下细观结构的响应,提出了一种水凝胶框架式细观模型。该模型与实际材料能达到低阶近似,能较好地反映出压缩失水率曲线的变化趋势,说明它在一定程度上揭示了水凝胶材料的压缩细观机理。除此外,还建立了一个随机纤维网络模型,该模型能够较好地反映聚合物网络在外力作用下的变形情况。并探讨了纤维间有无接触对整个纤维网络力学响应的影响。