溶胀凝胶在扫描探针作用下的变形响应分析开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

(1)论文的目的及意义:

压痕试验的原理是通过一定形状的压头(球体,圆柱体,或者其它椎体等)将荷载施加在被测材料表面上,使材料表面产生压痕(即发生塑性变形),再根据总施加荷载与所产生压痕深度、面积之间的关系,推断材料的力学性能。与传统的实验方法(简单的拉伸和压缩实验)相比,这一方法对试样少有或几乎没有制备的要求,试样的尺寸可以比较小,而且不会对试样造成很严重的损伤。当压头尺寸缩小到微纳米级别时(如原子力显微镜afm中的扫描探针),还可以通过压痕试验在较高空间分辨率下测定非均质材料的局部力学性能。

近年来,有学者尝试将压痕方法用于凝胶材料的研究,以表征其溶胀变形与力学行为。凝胶是一种由高分子交联网络和溶剂分子组成的特殊体系。通过吸收或释放大量溶剂分子,凝胶可以发生剧烈的溶胀变形,且这一过程通常伴随着数量上高达几百倍的体积改变。凝胶的溶胀是一个耦合了大变形与流动扩散的过程,其变形响应受到很多因素影响,如温度、光照、ph值和外加电场等。由于凝胶弹性体具有活跃的化学和力学性质,在诸多工程领域(如传感器件、组织工程、医药输运、表面处理等)都获得了广泛关注和应用。

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2. 研究的基本内容与方案

(1)基本内容:采用实验和理论相结合的方法,研究稳态溶胀凝胶在扫描探针作用下的变形响应。一方面,基于扫描探针显微镜的测试平台,测定不同针尖应力施加于不同溶胀状态的凝胶弹性体表面时产生的压痕变形。另一方面,立足于凝胶稳态溶胀分析的力学/化学场理论,并利用经典的表面green函数,建立起能描述凝胶溶胀行为和针尖接触影响的分析方法,使用该方法研究自由溶胀和受限溶胀时凝胶弹性体受扫描探针微区域载荷作用的变形响应。通过理论与实验结果的对比,确定针尖应力与凝胶表面变形、溶胀比等的定量关系,并揭示相关机理。


(2)技术方案和路线:

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,明确研究内容,确立基本的研究思路,完成开题报告。

第4-6周:学习连续介质力学、凝胶稳态溶胀的非线性力学/化学场,以及表面green函数的基础知识,熟悉相关的经典理论模型和运动学关系,独立完成其中的重要公式推导。

第7-9周:基于扫描探针显微镜的测试平台制定实验方案,以不同溶胀比的凝胶弹性体作为考察对象,在不同针尖压力作用下,完成凝胶表面变形响应的原位测试,并确定接触区域和形状。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]filippoval. three-dimensional contact problem for a prestressed elastic body[j]. journalof applied mathematics and mechanics, 1978, 42: 1183-1188.

[2]e.a. zamir, taber l.a. on the effects of residual stress in microindentationtests of soft tissue structures[j]. journal of biomechanical engineering, 2004,126: 276-283.

[3]l.h.he, elastic interaction between force dipoles on a stretchable substrate[j].journal of the mechanics and physics of solids, 2008, 56: 2957-2971.

[4]w.hong, x.h. zhao, j.x. zhou, et al. a theory of coupled diffusion and largedeformation in polymeric gels[j]. journal of the mechanics and physics ofsolids, 2008, 56(5): 1779-1793.

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