水凝膠的力學行為實驗與數值表徵及本構關係 湯立群 張泳柔 9787030769503 【台灣高等教育出版社】

內容簡介
《水凝膠的力學行為實驗與數值表徵及本構關係》介紹了水凝膠材料及其基本力學性能，指出該材料在力學實驗表徵中存在的問題；針對準靜態單軸壓縮提出了在空氣和溶液環境中的試件體積變化測量方法；提出了一種針對水凝膠單軸拉伸實驗的試件夾持技術，使測得的拉伸斷裂應力更加可靠；完善了壓入法和鼓泡法，使其能夠表徵軟材料的黏彈性行為；針對超軟材料在動態力學測試中存在的問題，發展了雙子彈電磁驅動的霍普金森壓桿系統；在發展實驗表徵技術的同時，提出了水凝膠的隨機纖維網路模型和框架式模型，實現了對水凝膠宏觀力學行為的細觀機理探索；提出了可以表徵水凝膠在多種環境和多種應變率條件下的力學行為的本構方程。《水凝膠的力學行為實驗與數值表徵及本構關係》對水凝膠準確的力學行為實驗表徵技術及細觀機理研究具有相當的參考價值。

精彩書評
本書對水凝膠準確的力學行為實驗表徵技術及細觀機理研究具有相當的參考價值。

目錄

目錄
前言
符號表
第一章 緒論 1
1 1 水凝膠材料 1
1 1 1 水凝膠的分類 1
1 1 2 水凝膠的應用 2
1 2 水凝膠的力學性能 4
1 2 1 低彈性模量 4
1 2 2 強度增強和損傷表徵 5
1 2 3 力學性能測試實驗 6
參考文獻 7
第二章 水凝膠靜態力學行為的實驗表徵 9
2 1 PVA水凝膠試件製備 9
2 1 1 凍融法 10
2 1 2 試件製備注意事項 11
2 1 3 含水率測量 13
2 2 載入失水測量 14
2 2 1 實驗方法 14
2 2 2 測量結果 18
2 3 單軸拉伸測試 20
2 3 1 實驗方法 20
2 3 2 測試結果 21
2 4 雙軸拉伸測試 22
2 4 1 實驗方法 22
2 4 2 測試結果 23
2 5 溶液環境中的力學行為 27
2 5 1 溶液中的荷載系統標定 28
2 5 2 溶液環境中的體積測量技術 28
2 5 3 溶液環境中的載入失水行為 30
參考文獻 33
第三章 水凝膠黏彈性行為的實驗表徵 34
3 1 壓入法 34
3 1 1 金屬材料壓入法的修正 34
3 1 2 黏彈性材料壓入法的修正 36
3 1 3 黏彈性材料壓入法的加卸載修正 39
3 1 4 黏彈性材料壓入法的*優載入速率 40
3 2 鼓泡法 45
3 2 1 **球冠模型 45
3 2 2 PVA水凝膠薄膜鼓泡實驗 46
3 2 3 黏彈性鼓泡位移模型 46
參考文獻 52
第四章 水凝膠動態力學行為的實驗表徵 53
4 1 霍普金森壓桿技術原理 53
4 2 雙子彈電磁驅動霍普金森壓桿 56
4 2 1 雙子彈電磁驅動設計 57
4 2 2 電磁驅動方案 58
4 2 3 速度重複性驗證 59
4 2 4 黏彈性桿的彌散修正 60
4 3 測量結果與修正 61
4 3 1 環形試件帶來的「副作用」 62
4 3 2 PVA水凝膠的動態力學實驗結果 64
4 4 溶液環境中的動態載入 66
4 4 1 溶液環境分離式霍普金森壓桿測試系統 66
4 4 2 沒有試件時溶液傳遞的荷載 67
4 4 3 有試件時溶液傳遞的荷載 69
4 4 4 非單軸應力狀態造成的軸向附加應力 71
4 4 5 水凝膠材料在溶液環境中的動態實驗結果 73
4 5 適用於中應變率測試的霍普金森壓桿 74
4 5 1 長雙子彈電磁驅動霍普金森壓桿 74
4 5 2 實驗結果 77
參考文獻 77
第五章 水凝膠力學行為的數值表徵 79
5 1 三維PVA水凝膠的纖維網路模型 79
5 1 1 水凝膠的細觀結構 79
5 1 2 網路模型生成方法 80
5 1 3 微觀參數確定 84
5 1 4 半島纖維及纖維慣性力 87
5 2 纖維網路非線性力學行為的微觀機理 91
5 3 多軸載入下纖維網路的力學行為 95
5 3 1 模型的邊界約束 95
5 3 2 雙軸拉伸的分析 97
5 4 基於單相纖維網路的雙相水凝膠力學行為模擬 98
5 4 1 水應力計算方法 99
5 4 2 有效作用面積的統計 101
5 4 3 聚合物和水對水凝膠的貢獻 104
5 5 水凝膠框架式模型 106
5 5 1 框架式模型概述 106
5 5 2 框架式模型中的高分子纖維網路 109
5 5 3 框架式模型中的水 112
5 5 4 框架式模型中的虛擬薄膜 114
5 5 5 框架式模型的整體情況 115
5 5 6 框架式模型中*小勢能原理的運用 117
5 5 7 框架式模型計算流程 118
5 5 8 結合水含量測量 120
5 5 9 框架式模型的預測效果及分析 122
參考文獻 124
第六章 水凝膠的靜動態本構關係 125
6 1 准靜態本構模型 125
6 1 1 本構模型基本假設 125
6 1 2 准靜態本構模型推導 126
6 1 3 載入下體積變化率的推導 130
6 1 4 准靜態單軸壓縮的擬合效果 132
6 2 動態本構關係 134
6 2 1 動態本構方程推導 134
6 2 2 軸嚮應變率和徑嚮應變率的關係 135
6 2 3 動態單軸壓縮的擬合效果 137
參考文獻 139

精彩書摘
第一章 緒論
1 1 水凝膠材料
自從Wichterle等（1960）發表了合成HEMA水凝膠的開創性工作，近幾十年來，水凝膠材料吸引了越來越多的科研工作者，涵蓋了多個學科領域。截至2022年，在Web of Science上以「hydrogel」作為關鍵詞可以搜索到7萬多篇文獻資料。
水凝膠主要由交聯高分子網路和水組成，高分子的結構不溶於水，但可膨脹且具有保留大量水的能力。根據這樣的定義，人體內的軟組織大多可認為是水凝膠材料，如肌肉、眼角膜和軟骨等。這些天然存在的水凝膠稱為天然水凝膠。除生物組織外，天然水凝膠還包括明膠、透明質酸和殼聚糖等。與天然水凝膠相對的，不存在於自然中，由人工合成的水凝膠稱為人工合成水凝膠。隨著研究者們孜孜不倦地研究，近年來新穎且性能優異的人工合成水凝膠大量湧現，水凝膠的應用領域不斷擴寬。如今，水凝膠已被應用於組織工程、藥物傳輸、傷口敷料、智能感測、軟體機器人等多個領域。
1 1 1 水凝膠的分類
除根據高分子來源可以分成天然水凝膠和人工合成水凝膠外，水凝膠還有多種分類方式。
例如，按照交聯方式分類，可以分為物理交聯水凝膠和化學交聯水凝膠。物理交聯水凝膠的高分子鏈是通過氫鍵、范德瓦耳斯力和纏繞等物理作用發生交聯的，*大特點是交聯可逆。化學交聯水凝膠則相反，因為是通過化學鍵形成的交聯，非常牢固，是不可逆的永久連接。
另外，根據聚合物成分分類，有均聚水凝膠、共聚水凝膠和多聚物互穿聚合物水凝膠。均聚水凝膠是由單一單體衍生成聚合物網路的水凝膠。共聚水凝膠的聚合物網路由兩種或以上不同單體組成，且*少有一種親水性組分。多聚物互穿聚合物水凝膠由兩種*立的交聯合成和/或天然聚合物組分組成，以網路形式存在。多聚物半互穿聚合物水凝膠中，一種組分為交聯聚合物，另一種為非交聯聚合物。
此外，按照對外界環境刺激的敏感性可將水凝膠分為傳統水凝膠和智能水凝膠，外界刺激包括且不限於磁場、電場、光場和溫度場等。環境敏感性使得智能水凝膠廣泛應用於電子皮膚、柔性傳感器和藥物傳輸等領域。
除以上分類方式外，水凝膠還可以根據水凝膠上的電荷分為陰離子水凝膠、陽離子水凝膠和非離子水凝膠等。更多的分類方式在此不一一列舉。總之，水凝膠材料種類繁多，可以滿足多種不同的實際需求，切實有效地擴展了水凝膠材料的應用領域。
1 1 2 水凝膠的應用
2019年全球水凝膠市場價值為221億美元，預計到2027年將增長至314億美元。水凝膠不僅應用價值高，應用前景好，而且應用範圍廣。
組織工程是水凝膠的一個重要應用領域。水凝膠可在人體組織或器官衰竭的修復、替換和再生治療中，促進細胞的黏附、增殖和分化，同時輸送細胞活動需要的營養物質和信號分子。不僅如此，水凝膠還對細胞起到了支撐和保護作用，而且在修復過程完成後能夠被自然分解吸收，避免二次手術的風險和傷害。由此可見，水凝膠在組織工程領域的重要性不容忽視。
黏性強且生物相容性優異的水凝膠可以作為傷口膠黏劑替代傳統縫合線。與傳統的手術縫合相比，水凝膠具有不產生縫合傷口以免造成二次傷害，防止失血或滲漏體液，避免暴露以減少環境感染等顯著優勢（Liu et al ，2022），因此，水凝膠有望成為手術治療中的重要工具。
智能水凝膠則具有成為傳感器的潛力，具體的感測機制取決於它對外部刺激的感應。很多智能水凝膠會因內部的物理或化學變化而表現出吸水膨脹或失水收縮的宏觀現象，引起變化的外部信號源可以是溫度、pH、離子類型、離子濃度、濕度、氣體、光場、電場、磁場，也可以是某些生物成分。鑒於許多水凝膠具備的優良生物相容性，對生物成分敏感的水凝膠在生物醫療領域備受關注。目前已經開發出了可檢測到流感病毒、乙型肝炎病毒和西尼羅河病毒蛋白結構域Ⅲ（West Nile virus protein domain Ⅲ）等病毒的生物傳感器（Pang et al ，2015；Whitcombe et al ，2011；Nguyen et al ，2009）。此外，基於殼聚糖和基於聚乙二醇的生物傳感器被認為可以用於癌症的早期診斷（Shukla et al ，2013；Cui et al ，2016）。還有一些生物傳感器可以檢測到葡萄糖和膽固醇等小分子，以實現高血糖和高膽固醇等慢性病的早診斷，從而推進慢性病的早治療。另外，易於發生大變形的水凝膠也很適合應用於監測運動時肌肉的變形，以降低運動損傷的發生概率。總之，可以期待智能水凝膠在健康監測、疾病診斷和環境安全等領域發展出更多的實際應用。
藥物傳輸是智能水凝膠的另一個重要應用（Sun et al ，2020）。根據不同施藥部位的特徵，設計製備出具有不同響應能力的水凝膠，可以實現良好的靶向輸藥效果，有效提高藥物治療效率，降低全身毒性。例如，腫瘤組織通常具有缺氧、酸性和強通透性等特徵，利用這些特徵，可以使水凝膠在腫瘤組織位置實現精準藥物釋放，減少對正常細胞的影響。此外，利用體外刺激（如磁場、超聲、光場、溫度等）控製藥物的釋放也是一種高度可控的方法，可以有效提高藥物釋放的針對性和安全性。因此，智能水凝膠在藥物傳輸領域的應用前景非常廣闊，可以預見未來會有更多研究和創新。
親水且可遠程操控的特點使部分智能水凝膠成為軟體機器人領域的潛力股。在水域環境中，智能水凝膠的優勢更加明顯，可以實現偵察、檢測、海洋科學研究、水下數據傳輸等用途。不僅如此，水凝膠還可用於水生生物資源開發，如捕魚、養殖等，另外也可起到保護環境和治理污染的作用。
除以上的應用領域外，水凝膠還在其他一些領域存在潛在應用價值。例如，在食品行業中，水凝膠可用於生產封裝、熱量控制和質地感知等方面（Li et al ，2021）。隨著人們對食品安全和健康的關注不斷提高，水凝膠有可能成為食品領域重要的工具。在新能源領域，水凝膠可以作為高性能的電解質材料，提高鋰離子電池的性能和安全性。相比傳統的液態電解質，水凝膠電解質具有更好的機械穩定性、耐高溫、耐化學性和低燃性等優勢。總之，隨著科技的進步和人們對新材料需求的不斷增長，水凝膠將會在更多領域得到開拓和發展。
1 2 水凝膠的力學性能
測試和表徵水凝膠材料的力學性能對了解其在生物和生活場景中的力學行為至關重要。宏觀上，我們的日常生活中軟組織經常受到各種力的作用，例如，人在站立、走動時軟骨會受到來自人體的壓力，若是奔跑或跳躍，這壓力值會更高；在運動和勞作時，肌肉會受到拉力；即使人躺著不動，心血管也有收縮壓和舒張壓；與外界交互時，也經常遭受碰撞、拉扯、跌倒等外源性荷載。細觀上，人體細胞的生產、成型和遷移等生命過程都依賴於與細胞外基質（可視為一種天然水凝膠）的相互作用。因此，研究水凝膠的力學行為對我們了解自己的身體非常重要。此外，對水凝膠的力學性能進行測試和表徵還能夠為設計和開發新型醫療材料、器械，保護個人安全提供重要的指導。因此，力學性能測試和表徵是研究水凝膠材料的一個重要方面，能夠為材料應用和科學研究提供必要的支撐。
水凝膠種類繁多，不同的水凝膠之間必然存在一定差異。但它們有共同的細觀結構特徵：高分子網路和大量的水（人工合成水凝膠的含水率可達90%以上，而人體腦組織含水率約為85%，角膜含水率大致為75%∼80%）。共同的細觀結構特徵決定了它們存在普遍的共同特點：其一，壓縮彈性模量