基于耦合化学-力学本构模型的水凝胶溶胀行为与残余应力演化研究

　　本综述系统阐述了水凝胶在溶胀过程中的耦合化学-力学响应机制，提出基于乘法分解的热力学一致框架，采用非线性Yeoh–Fleming超弹性模型描述聚合物网络应变能，并通过单轴/等双轴/纯剪切实验验证模型有效性。研究首次实现材料参数随聚合物网络浓度的动态演化，成功求解自由溶胀耦合边界值问题（BVP），为水凝胶在软体机器人（Soft Robotics）和药物递送（Drug Delivery）等领域的应用提供理论支撑。

　　

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溶胀运动学（Kinematics of swelling）

聚合物网络在干燥状态下（无溶剂存在时）呈现玻璃态或半结晶态，此时易受分子水平现象影响，如链-链相互作用、物理凝胶网络连通性改变和链缠结等。将聚合物网络置于含溶剂的制备浴中，单体聚合成聚合物链，并...

化学平衡定律（Chemical balance laws）

水凝胶溶胀是缓慢的准静态过程。我们定义当前构型中的通量矢量$h$表示溶剂迁移行为，其表达式为（Gurtin等, 2010）：

$h=-\frac{Dc}{kT}?\mu$

其中$D$为扩散系数（单位：m²/s），$c$为浓度...

完全溶胀水凝胶的力学响应（Mechanical responses of fully swollen hydrogel）

以完全溶胀状态为无应力参考构型${\check{B}}_0$，通过变形梯度${\check{F}}_e$研究外部机械载荷下的弹性响应...

具有演化材料特性的生长水凝胶（A growing hydrogel with evolving material properties）

在获得不同聚合物网络体积分数下的饱和水凝胶响应数据后，我们进一步研究水凝胶生长过程中材料特性随网络体积分数演变的规律...

化学-力学耦合边界值问题：自由溶胀（Chemo-mechanical coupled BVP: free swelling）

以制备态水凝胶为参考构型$B_0$，模拟溶剂扩散引发的溶胀过程，该过程伴随力学特性的动态变化...

结论（Conclusions）

本研究在有限变形框架下揭示了水凝胶溶胀行为与化学-力学响应机制，建立了基于溶剂浓度的热力学一致生长方程，通过PAAm水凝胶实验数据校准模型参数，最终通过三维数值仿真实现耦合边界值问题的求解...