智能水凝膠材料的化-力性能分析.pdf

1、凝膠是一種特殊的分散體系，其中膠體顆?；蚋呔畚锓肿踊ハ嗦?lián)結(jié)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙中充滿了液體(在干凝膠中的分散介質(zhì)也可以是氣體)。凝膠體是一種在生物醫(yī)藥上應(yīng)用廣泛的非金屬復(fù)合材料，是一類化學(xué)性能穩(wěn)定，具有良好的生物相容性的材料。膠體材料因具有與生物組織良好的相容性，耐腐蝕，無毒副作用而受到人們的普遍關(guān)注，是近年來研究較多且進(jìn)展較快的領(lǐng)域。高分子凝膠可響應(yīng)溫度、pH值、電場或化學(xué)物質(zhì)的變化而發(fā)生溶脹或收縮，凝膠的這種刺激響應(yīng)

2、性也常被研究人員喻為“智能性”。在過去10年里，全世界眾多研究者們對刺激響應(yīng)性凝膠進(jìn)行了廣泛的研究，希望能研制出與金屬、陶瓷、玻璃等硬材完全不同的可‘智能化’的響應(yīng)環(huán)境，且具有自我感知、自我調(diào)控能力的軟“濕件”。但是由于水凝膠極弱的力學(xué)性能，將其應(yīng)用于智能器件似乎還有很長的路要走。正是鑒于這種情況，我們就開始對水凝膠體材料的力學(xué)和化學(xué)性能進(jìn)行分析以期待可以提高它的力-化性能。根據(jù)材料實(shí)際特性有目的地改變周圍的響應(yīng)條件，以預(yù)測材料的有效性

3、能，這對指導(dǎo)材料的生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。因此，需要研究細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，研究水凝膠材料性能的理論和方法。 本文主要研究的內(nèi)容為： (1)介紹了材料在化、力、電的載荷單獨(dú)作用下的基本理論，利用變分原理，得到有限元求解形式。通過離子的對流-擴(kuò)散方程，推出非穩(wěn)定場下變形情況的基本方程和邊界條件，并由加權(quán)余值法得到了相應(yīng)的有限元形式。 (2)計(jì)算理論建立在以前的研究中很多是利用熱力學(xué)第二不等式和化學(xué)場中的濃度

4、擴(kuò)散理論作為基本方程，然后給出了力-化耦合場作用下材料的控制方程及有限元形式，最后導(dǎo)出了生物材料的化-力耦合有限元方程利用加權(quán)余值法進(jìn)行求解，在這里是通過力，化知識得到偏微分方程表達(dá)形式，在分析過程中考慮了離子的擴(kuò)散和pH值的響應(yīng)。 (3)根據(jù)已經(jīng)得到的力-化耦合問題的有限元方程，實(shí)現(xiàn)了力-化耦合過程的數(shù)值模擬，得到了相應(yīng)的數(shù)值結(jié)果表明了本文理論的正確性和有效性。 通過本文的研究工作，初步建立了生物組織、生物凝膠體等生物