軟物質(zhì)涵蓋很廣的范圍,從橡膠、智能材料、水凝膠等高分子聚合物,到細(xì)胞、皮膚等仿生或生物組織等。軟物質(zhì)在很多場景下表現(xiàn)出如復(fù)雜場耦合大變形、接觸和粘附等的非線性力學(xué)行為,對其力學(xué)行為研究有助于材料性質(zhì)及功能、細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)及功能的預(yù)測和設(shè)計(jì)。但解析方法往往難以求解這些行為,有限元數(shù)值方法處理復(fù)雜問題的能力雖然大大提高,但要行之有效地建模和研究如復(fù)雜材料本構(gòu)、復(fù)雜邊界條件等問題時(shí)往往也面臨許多挑戰(zhàn)。本文通過三個(gè)具體例子,對軟物質(zhì)不同的非線性力學(xué)行為（主要包含大變形、接觸和粘附問題）進(jìn)行理論與有限元模擬研究,探究了如何在有限元模擬中處理復(fù)雜的非線性行為。在第一部分,本文主要研究了一種新型的具有共價(jià)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)熱固性聚合物（Vitrimer,也稱固塑體）的力學(xué)行為。作為熱固性聚合物,這種材料具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在受到特定的外界刺激,如光、熱、化學(xué)環(huán)境變化等時(shí),其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)被激活,使得分子鍵之間能夠進(jìn)行交換。這種交換反應(yīng)賦予了聚合物網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重組能力,因而材料在受到外界載荷時(shí)能進(jìn)行微觀的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)重組而表現(xiàn)出宏觀的流變力學(xué)行為,如應(yīng)力松弛、蠕變等。此外,動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)還使材料表現(xiàn)出界面愈合能力、基于... 

【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：144 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１軟物質(zhì)相關(guān)的技術(shù)及應(yīng)用（ａ）動(dòng)態(tài)聚合物應(yīng)用及形狀記憶聚合物（ｂ）細(xì)胞力學(xué)??性質(zhì)測量（ｃ）軟物質(zhì)涂層粘附與脫粘ＰＷ?（ｄ）軟物質(zhì)用于發(fā)展柔性機(jī)器人ＰＩ?（ｅ）軟物??質(zhì)用于柔性電子器件［３７］?（ｆ）用于生物組織修復(fù)的軟物質(zhì)膠粘劑【４３］??

圖２．１?ＣＡＮ材料及動(dòng)態(tài)反應(yīng)分類ｌｎ］：?（ａ）游離型ＣＡＮ依賴于動(dòng)態(tài)可逆反應(yīng)，難以保證網(wǎng)??絡(luò)完整性，（ｂ）結(jié)合型ＣＡＮ依賴于鍵交換反應(yīng)，結(jié)構(gòu)交聯(lián)密度不會(huì)受損??２．?１．２研究目標(biāo)及內(nèi)容??本章側(cè)重于研宄兩種結(jié)合型ＣＡＮ材料，一為基于酯基轉(zhuǎn)換??（Ｔｒａｎｓｅｓｔｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）反應(yīng)的熱敏ｖｉｔｒｉｍｅｒ聚合物，一為基于ＲＡＦＴ反應(yīng)的光敏??動(dòng)態(tài)聚合物材料作為熱固性聚合物。??２．?１．２．?１，?Ｖｉｔｒｉｍｅｒ熱成型及熱壓回收的研宄??根據(jù)上節(jié)引言，ｖｉｔｒｉｍｅｒ具有永久性的共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從而具有優(yōu)良的力學(xué)、??熱學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，在受熱時(shí)又具有網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重組能力，并表現(xiàn)出宏觀的流變力??學(xué)行為如應(yīng)力松弛、蠕變和界面上的自愈合行為。本質(zhì)上這一切來源于其內(nèi)部的??鍵交換反應(yīng)：當(dāng)交換反應(yīng)發(fā)生在受外載荷的材料體內(nèi)時(shí)，材料的網(wǎng)絡(luò)重組會(huì)自動(dòng)??適應(yīng)外力而產(chǎn)生粘性松弛行為；當(dāng)交換反應(yīng)發(fā)生在接觸的兩表面上時(shí)，相互的化??學(xué)鍵交換可以重組界面兩邊的分子鏈和網(wǎng)絡(luò)并對界面進(jìn)行修復(fù)。這兩點(diǎn)使兩個(gè)重??，：??

名義應(yīng)變分布（ｅ）卸載結(jié)束后局部最終成型形狀??加熱結(jié)束后，拉伸材料經(jīng)歷冷卻和卸載，之后自由恢復(fù)到永久的成型形狀。??圖２．４ｄ給出了卸載后的軸向應(yīng)變分布，其和加熱后的結(jié)果類似。對所有的三種??條件，材料均朝初始長度（ｌ〇ｍｍ）回彈，但是回彈程度不同。對Ｃ情況，熱傳??導(dǎo)速度很快相當(dāng)于材料被整體加熱，此時(shí)成型長度最長，平均總體拉伸應(yīng)變達(dá)到??８６．８％。而對Ａ情況，由于熱傳導(dǎo)相對較慢，材料幾乎完全回到初始長度（ｌ〇ｍｍ），??總體拉伸應(yīng)變只有５．６％，而軸向應(yīng)變關(guān)于Ｘ又具有很陡的分布。這是由于除了??臨近加熱端之外的大部分材料沒有被充分加熱，因而應(yīng)力松弛程度不夠。圖２．４ｅ??給出了局部的最終成型形狀，與加熱后形狀類似，云圖表示殘余應(yīng)力分布�？梢�??發(fā)現(xiàn)，Ａ情況下在加熱端局部出現(xiàn)了較大的殘余應(yīng)力（達(dá)到約３０％的剪切模量），??這是由于高度非均勻的溫度場和應(yīng)力松弛在局部帶來了很大的剪切應(yīng)變；Ｃ情況??下

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Finite element analysis of micropipette aspiration considering finite size and compressibility of cells[J]. LI YongSheng,CHEN WeiYi.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2013(11)



本文編號：3522969