【摘 要】
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水凝胶近年来以其优越的生物相容性、高含水率、高柔韧性等特点吸引了研究者的广泛关注,各种人工制备的物理化学水凝胶已经被证实可应用于生物医学、组织工程、药物递送等前沿生物应用领域,因此水凝胶是一种很具潜能的软材料,但传统水凝胶的可控性差,完全依靠被动机制进行设计的缺点却限制了其应用,近些年来得到发展的磁敏性水凝胶材料由于其具有对外界磁场产生响应的能力,进一步克服了水凝胶材料的现有缺点而成为了当前的热点
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水凝胶近年来以其优越的生物相容性、高含水率、高柔韧性等特点吸引了研究者的广泛关注,各种人工制备的物理化学水凝胶已经被证实可应用于生物医学、组织工程、药物递送等前沿生物应用领域,因此水凝胶是一种很具潜能的软材料,但传统水凝胶的可控性差,完全依靠被动机制进行设计的缺点却限制了其应用,近些年来得到发展的磁敏性水凝胶材料由于其具有对外界磁场产生响应的能力,进一步克服了水凝胶材料的现有缺点而成为了当前的热点研究材料。对于水凝胶材料,由于其常面临着复杂的应用环境,因此对水凝胶材料的力学行为研究始终是重点研究题目。本文以聚乙烯醇(PVA)水凝胶为研究对象,以原位沉淀法制备磁性PVA水凝胶,并对其力学性能与作为主要的影响因素的溶液浓度之间的关系进行了充分研究,并在此基础上提出了连续相网络分布模型,揭示了受到浸泡作用下的相分离水凝胶的拉伸破坏行为机理。本文的主要内容如下:(1)以物理PVA水凝胶作为基体材料,使用传统的混合法与新兴的原位沉淀法分别制备了磁性PVA水凝胶,验证了各自对PVA水凝胶的适用性,并探索了两种制备方法对材料物理性能和力学性能的影响,发现后者在制备磁性颗粒时具有颗粒均匀、力学性能优异的优点。结合多种理化测试技术与力学实验,在实验的基础上总结出影响水凝胶理化性能的主要因素是碱性溶液浸泡作用。(2)使用准静态单轴拉伸、单轴压缩、共轴剪切下的撕裂和循环加载等力学实验方法对碱性溶液浸泡后的PVA水凝胶进行研究。首先针对传统拉伸力学实验方法在PVA水凝胶的加载滑移问题上进行改进,发展了一种适合PVA水凝胶的拉伸试验方法,之后研究浸泡用氢氧化钠溶液浓度与水凝胶的力学行为之间的关系,发现PVA水凝胶的拉伸强度与压缩模量会随着溶液浓度而提高,同时在高浓度溶液作用下水凝胶的韧性提高,破坏模式会由脆性断裂转为延性断裂。在上述结果的基础上观察染色后的水凝胶微观结构,发现了相分离PVA水凝胶的高应力下拉伸纤维重分布特点,并结合相分离网络力学特性提出强弱纤维的分布式断裂以解释材料的撕裂力学特性。(3)针对浸泡后相分离PVA水凝胶在拉伸时的力学行为,首次提出了连续型多相网络的本构模型,该模型以断裂极限和拉伸模量作为连续分布的参数。结合数字图像技术与边缘识别算法测量了大变形乃至发生断裂后水凝胶材料的真实应力-应变关系,该模型很好对应了经历多种浓度浸泡下PVA水凝胶从拉伸到断裂的真实应力-应变关系,证明了模型的合理性。浸泡下PVA水凝胶的延性断裂相较于普通PVA水凝胶的快速断裂是一种特异性的力学行为,使用该模型作为工具本文首次对浸泡相分离PVA水凝胶的延性断裂行为进行了分析,揭示了水凝胶的宏观破坏行为与浸泡浓度之间的关系。研究表明利用概率多相网络模型可以很好描述拉伸下相分离水凝胶的力学破坏行为。
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