人体除牙齿、脊椎等硬骨骼以外都是可视为水凝胶。水凝胶材料作为新兴材料在关节修复、药物缓释等与民生息息相关的领域有着广阔的应用前景。为了设计具有可控性能的水凝胶,需要了解其微观网络结构与宏观物理性能的关系。现今描述水凝胶性质特别是力学性质的理论还不成熟。这是因为(1)实验中很难获得水凝胶的所有网络微观信息(2)理论模型往往具有多个变量,很难研究某中一个变量的作用。而计算机模拟不同于实验,模型中的参数都是透明的。通过仔细设计模型,可以通过控制所有其他变量,单一的研究一个变量对系统的影响,因此适用于研究聚合物水凝胶这一复杂的系统。通过结合计算机模拟、实验和理论,本论文主要研究了以下几个方面的问题:(1)我们提出了一种三维粗粒化Monte Carlo模型,来模拟溶胀凝胶的分子结构。与常用的正四面体等规则模型不同,建模过程包括连续的三步:交联点扩散、100%反应率交联和网络松弛收缩。与点击反应的快速特点相应,交联步骤中多官能度交联反应是同步进行的。为验证模型,将模型中的聚合物链及交联点密度与实验中溶胀凝胶比对,参数化约束得到模型中的实际长度。参数化后由模型计算得到的PEG2k平均链长在G3和G4中接近(≈4.6nm),与文献报道值一致。模型中的其它结构数据如孔隙率和孔径大小也与实验数据吻合,且呈高斯分布,证明了模型的正确性。模型得到的"理想"凝胶网络的3D拓扑结构与至今常用的正四面体等规则模型不同,且更接近现实。(2)利用点击化学反应,在官能度为3和4的PEG基水凝胶中引入定量的"悬垂链"网络缺陷。使用低场核磁共振和Monte Carlo方法验证和研究了具有不同悬垂链缺陷的凝胶网络的分子结构。使用单轴拉伸测试研究了具有缺陷的凝胶网络的力学性能。力学测试结果使用Gent模型和Mooney-Rivlin模型分析。我们发现溶胀凝胶的剪切模量与网络官能度有关,且随着缺陷增多而下降。此外,对于不同缺陷含量,我们都发现剪切模量的值符合幻影模型的预测。拉伸断裂伸长率由Gent模型拟合得到。断裂伸长率随着缺陷增多起初变化不大,在缺陷含量很大时变大。其值在幻影模型和仿射模型预测值之间,说明在大变形的情况下,交联点的涨落虽然在一定程度下被约束了但是仍然存在。在Flory-Rehner模型基础上预测的不同缺陷含量的凝胶网络的聚合物体积分数与溶胀实验中测得结果一致。以上结果说明点击化学是制备具有可控网络分子结构和可调性质水凝胶的有力工具。(3)在本章中,我们使用分子模拟方法研究了悬垂链缺陷对端基交联的聚合物网络的力学性质的影响,同时讨论了反应浓度的作用。我们发现悬垂链对4官能度网络的均一性的影响大于3官能度网络。一个与固有经验相悖的发现是网络的微观均一性(如交联点的空间分布、链长分布)对网络力学性能的影响很小。我们还发现实验和模拟中的断裂伸长率具有很大不确定性的原因主要是由于单网络的断裂主要受网络中最短的链或最短路径的控制。即使使用具有相同链长的聚合物端基交联,在平衡(溶胀)过程中还是不可避免引入较大的链长分布。(4)本章中,我们结合实验和计算机模拟,研究了大孔对水凝胶力学性质的影响。无孔或有孔结构的聚乙二醇基的水凝胶通过点击化学,端基交联线形聚合物制备得到。利用具有不同直径的SiC2粒子作为致孔剂在凝胶网络中引入孔结构。孔结构使用扫描电子显微镜和热孔计进行表征。凝胶的力学性质使用拉伸的应力-应变测试表征,拉伸曲线使用詹特模型拟合。我们发现最大拉伸率与孔径有关,随着孔径增大,最大拉伸率下降。计算机模拟结果显示,这是因为随着孔径增大,平衡后的网络中大孔周围的应力集中增大。这个效果在孔径小于大约2倍网孔直径时消失。