本书介绍了水凝胶材料及其基本力学性能，指出该材料在力学实验表征中存在的问题；针对准静态单轴压缩提出了在空气和溶液环境中的试件体积变化测量方法；提出了一种针对水凝胶单轴拉伸实验的试件夹持技术，使测得的拉伸断裂应力更加可靠；完善了压入法和鼓泡法，使其能够表征软材料的黏弹性行为；针对超软材料在动态力学测试中存在的问题，发展了双子弹电磁驱动的霍普金森压杆系统；在发展实验表征技术的同时，提出了水凝胶的随机纤维网络模型和框架式模型，实现了对水凝胶宏观力学行为的细观机理探索；提出了可以表征水凝胶在多种环境和多种应变率条件下的力学行为的本构方程。本书对水凝胶准确的力学行为实验表征技术及细观机理研究具有相当的参考价值。
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目录
前言
符号表
第一章 绪论 1
1.1 水凝胶材料 1
1.1.1 水凝胶的分类 1
1.1.2 水凝胶的应用 2
1.2 水凝胶的力学性能 4
1.2.1 低弹性模量 4
1.2.2 强度增强和损伤表征 5
1.2.3 力学性能测试实验 6
参考文献 7
第二章 水凝胶静态力学行为的实验表征 9
2.1 PVA水凝胶试件制备 9
2.1.1 冻融法 10
2.1.2 试件制备注意事项 11
2.1.3 含水率测量 13
2.2 加载失水测量 14
2.2.1 实验方法 14
2.2.2 测量结果 18
2.3 单轴拉伸测试 20
2.3.1 实验方法 20
2.3.2 测试结果 21
2.4 双轴拉伸测试 22
2.4.1 实验方法 22
2.4.2 测试结果 23
2.5 溶液环境中的力学行为 27
2.5.1 溶液中的荷载系统标定 28
2.5.2 溶液环境中的体积测量技术 28
2.5.3 溶液环境中的加载失水行为 30
参考文献 33
第三章 水凝胶黏弹性行为的实验表征 34
3.1 压入法 34
3.1.1 金属材料压入法的修正 34
3.1.2 黏弹性材料压入法的修正 36
3.1.3 黏弹性材料压入法的加卸载修正 39
3.1.4 黏弹性材料压入法的最优加载速率 40
3.2 鼓泡法 45
3.2.1 经典球冠模型 45
3.2.2 PVA水凝胶薄膜鼓泡实验 46
3.2.3 黏弹性鼓泡位移模型 46
参考文献 52
第四章 水凝胶动态力学行为的实验表征 53
4.1 霍普金森压杆技术原理 53
4.2 双子弹电磁驱动霍普金森压杆 56
4.2.1 双子弹电磁驱动设计 57
4.2.2 电磁驱动方案 58
4.2.3 速度重复性验证 59
4.2.4 黏弹性杆的弥散修正 60
4.3 测量结果与修正 61
4.3.1 环形试件带来的“副作用” 62
4.3.2 PVA水凝胶的动态力学实验结果 64
4.4 溶液环境中的动态加载 66
4.4.1 溶液环境分离式霍普金森压杆测试系统 66
4.4.2 没有试件时溶液传递的荷载 67
4.4.3 有试件时溶液传递的荷载 69
4.4.4 非单轴应力状态造成的轴向附加应力 71
4.4.5 水凝胶材料在溶液环境中的动态实验结果 73
4.5 适用于中应变率测试的霍普金森压杆 74
4.5.1 长双子弹电磁驱动霍普金森压杆 74
4.5.2 实验结果 77
参考文献 77
第五章 水凝胶力学行为的数值表征 79
5.1 三维PVA水凝胶的纤维网络模型 79
5.1.1 水凝胶的细观结构 79
5.1.2 网络模型生成方法 80
5.1.3 微观参数确定 84
5.1.4 半岛纤维及纤维惯性力 87
5.2 纤维网络非线性力学行为的微观机理 91
5.3 多轴加载下纤维网络的力学行为 95
5.3.1 模型的边界约束 95
5.3.2 双轴拉伸的分析 97
5.4 基于单相纤维网络的双相水凝胶力学行为模拟 98
5.4.1 水应力计算方法 99
5.4.2 有效作用面积的统计 101
5.4.3 聚合物和水对水凝胶的贡献 104
5.5 水凝胶框架式模型 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纤维网络 109
5.5.3 框架式模型中的水 112
5.5.4 框架式模型中的虚拟薄膜 114
5.5.5 框架式模型的整体情况 115
5.5.6 框架式模型中最小势能原理的运用 117
5.5.7 框架式模型计算流程 118
5.5.8 结合水含量测量 120
5.5.9 框架式模型的预测效果及分析 122
参考文献 124
第六章 水凝胶的静动态本构关系 125
6.1 准静态本构模型 125
6.1.1 本构模型基本假设 125
6.1.2 准静态本构模型推导 126
6.1.3 加载下体积变化率的推导 130
6.1.4 准静态单轴压缩的拟合效果 132
6.2 动态本构关系 134
6.2.1 动态本构方程推导 134
6.2.2 轴向应变率和径向应变率的关系 135
6.2.3 动态单轴压缩的拟合效果 137
参考文献 139
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