典型胶质材料的电学-化学-力学耦合理论与应用

胶质材料是一种可感知多物理场刺激的智能软材料。本项目以典型胶质材料-水凝胶与生物软组织（关节软骨与皮肤棘层组织）为对象，重点研究其宏、细观性能和电-化-力学多场耦合行为。发展含流体夹杂复合材料细观力学模型，研究胶质材料有效物理（包括力学、化学扩散等）性能的多尺度关联；从自由能出发建立耦合本构关系，研究材料在大变形下的电-化-力学多场耦合行为；发展新的多场耦合理论模型和耦合有限元法，设计基于纳米压痕技术的实验方案；研究胶质材料的细观结构-宏观性能关系及其在电-化-力学作用下的多场耦合原理，理解和揭示材料应用和器件设计的力学原理。. 本项目以揭示新原理、发展新模型和新方法为目标，为生物组织在多场作用下的生长、演化、机能改善以及愈合过程控制等机制提供理论基础，对新型智能胶质软材料的研制和应用，以及人工生物组织、替代器官的设计、修复和控制具有理论指导意义。

目前，胶质材料中的宏细观结构的变形关系，非线性多场耦合理论和数值分析，力学性能实验测试技术等方面的问题正成为国内外研究的热点。所以，本项目研究的主要内容包括：胶质材料的物理性能（力学，电化学性能等）的多尺度理论分析与实验验证；胶质材料的电-化-力多场耦合行为和性能。. 本项目以典型胶质材料-水凝胶与生物软组织（关节软骨与皮肤棘层组织）为研究对象，提出了新的含有流体夹杂的多尺度力学模型，解决了封闭流体所引起的局部非均匀变形的问题；提出了考虑聚合物链缠结效应、网络交联点官能度和微结构参数影响的中性水凝胶耦合系统总的自由能密度函数，开发了大变形多场耦合的有限元程序，研究了中性水凝胶的准静态和瞬态非线性动力行为；提出了考虑软骨非线性、各向异性以及拉伸-压缩的双模特性的自由能密度函数，研究了关节软骨在电化学和力学场作用下的大变形行为；研究了聚合物胶体在不同边界条件下化-力耦合的解析解。提出了化-力学耦合场中裂纹的J积分公式，揭示了胶质材料中断裂现象的能量机理。. 本项目提出了表征软材料超弹性和粘弹性力学性能的压痕实验原理，解决了准确评估材料非线性力学行为的问题；提出了对水化软材料进行时间相关力学性能的压痕实验方法和机理，解决了水凝胶和生物软组织的多场耦合力学性能的实验测试技术问题。. 本项目提出的理论模型、数值方法和实验技术为研究胶质材料的多场耦合响应机制提供了理论基础和方法，发现的新机理对新型智能胶质软材料的开发应用以及人工组织和器官的设计、修复控制具有重要意义。. 依托本项目，课题组发表SCI论文17篇，发明专利4件，培养研究生25名。