【摘 要】
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近年来,水凝胶因具有与生物软组织类似的特征及多种智能响应性,在组织工程、生物医学、传感器、软体机器人和储能器件等领域有着广泛的应用。在这些应用中,水凝胶常会涉及到非常复杂的变形以及应变率响应,从而影响材料性能的可靠性和稳定性。因此,探究水凝胶材料在复杂加载条件下（如冲击和多轴加载）的力学行为及其损伤机制,对凝胶性能的优化设计具有重要的指导意义。本文基于物理键相互作用形成的高强韧、粘弹性水凝胶聚（甲
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近年来,水凝胶因具有与生物软组织类似的特征及多种智能响应性,在组织工程、生物医学、传感器、软体机器人和储能器件等领域有着广泛的应用。在这些应用中,水凝胶常会涉及到非常复杂的变形以及应变率响应,从而影响材料性能的可靠性和稳定性。因此,探究水凝胶材料在复杂加载条件下（如冲击和多轴加载）的力学行为及其损伤机制,对凝胶性能的优化设计具有重要的指导意义。本文基于物理键相互作用形成的高强韧、粘弹性水凝胶聚（甲基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸）P（MAAm-co-MAAc）为研究模型体系,利用分离式霍普金森压杆和薄膜双向拉伸仪探讨水凝胶在冲击载荷和多种加载模式下的损伤机制。主要研究内容与结果如下:（1）本文利用无规共聚一锅法来制备高强韧物理水凝胶P（MAAm-co-MAAc）。通过改变聚合单体的浓度,可以实现水凝胶的含水量（42.46-67.35）和力学性能调控（模量:49.70-177.0MPa;屈服应力:2.68-11.86MPa）,其优异的力学性能来源于高分子链之间形成的疏水缔合和氢键相互作用。（2）利用高速拉伸装置和分离式霍普金森压杆探讨水凝胶在低应变率(4.2×10-4-8.3×10-2 s-1)的准静态力学行为和高应变率(1.0×10~3-3.0×10~3 s-1)的冲击动力学行为。结果表明,水凝胶在宽广的应变率范围内都呈现弹性变形、屈服行为、应变软化和应力硬化四个阶段。水凝胶的力学性能具有显著的应变率依赖性,其屈服应力和杨氏模量与应变率成正相关。同时,水凝胶材料在冲击载荷下会失水,样品的失水程度随着加载应变和应变率的增加而增加,其损伤原因归结于凝胶网络结构中非共价键（疏水缔合和氢键）的破坏,其破坏程度与加载应变率的大小有关。（3）系统探究了粘弹性水凝胶P（MAAm-co-MAAc）在单轴拉伸、纯剪切拉伸以及等双轴拉伸下的力学行为。结果表明,水凝胶在等双轴拉伸、单轴拉伸和纯剪切拉伸（约束方向）的初始模量满足线弹性理论预测比（6:4:2）。在相同的循环加载变形下,双轴拉伸造成样品的损伤程度（能量耗散）最大,纯剪切拉伸次之,单轴拉伸最小。同时,样品的损伤程度对应变率的依赖性跟加载的模式无关。综上所述,本论文通过准静态加载,动态冲击,双轴拉伸等表征手段,系统研究了P（MAAm-co-MAAc）水凝胶的力学响应,探讨了水凝胶材料在实际应用中不可避免加载失水、应变交叉效应等现象,这为功能性凝胶的开发和应用提供坚实的基础。
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