從損傷機理視角研究雙網絡水凝膠：通過單調加載預測循環加載行為

同傳(chuan) 統的單網絡水凝膠相比，雙網絡水凝膠（DN凝膠）表現出較良好的抗拉伸性能與(yu) 較大的能量耗散能力，因此具有較高的斷裂應變與(yu) 斷裂韌性。在DN凝膠的微觀變形過程中，其疲勞與(yu) 斷裂行為(wei) 將同時受到微觀網絡組成與(yu) 損傷(shang) 機製的影響。為(wei) 此，西安交通大學與(yu) 香港城市大學劉子順等學者研究了網絡組成對DN凝膠在單調載荷下的變形模式和斷裂韌性的影響，並在此基礎上提出了一個(ge) 損傷(shang) 模型，該模型定量描述了DN凝膠在循環加載過程中的應力-應變關(guan) 係和耗散能密度變化。

首先，本文通過調整DN水凝膠中各微觀網絡的單體(ti) 濃度與(yu) 交聯度，製備了不同網絡組成的DN水凝膠，並進行了單軸拉伸實驗，應力-應變曲線如圖1所示。隨著單體(ti) 濃度和交聯度的降低，不同網絡組成的DN水凝膠均出現表觀模量的降低，其變形表現為(wei) 如圖2所示的五種模式。隨後，本文基於(yu) 撕裂實驗測定了DN水凝膠的斷裂韌性，從(cong) 而建立了DN水凝膠的斷裂應變、斷裂韌性與(yu) 變形模式的聯係，如圖3所示。“Ductile & Necking"型的DN水凝膠表現出較大斷裂應變的同時具有較大的斷裂韌性。

圖1 具有不同網絡組成的DN凝膠的應力-應變關(guan) 係

圖2 DN水凝膠在單調加載下五種變形模式

圖3五種變形模式的DN凝膠的斷裂應變與(yu) 斷裂韌性分布

為(wei) 了深入探究DN凝膠的損傷(shang) 機製和能量耗散過程，本文建立了一個(ge) 基於(yu) 單調加載的損傷(shang) 模型，該模型考慮損傷(shang) 演化對循環加載過程中初始模量與(yu) 硬化模量的影響。DN凝膠的硬化模量與(yu) 第一網絡顯著相關(guan) ，如圖4所示，在預屈服階段近似線性增加，在屈服和硬化階段近似對數衰減。初始模量大小同時受到第一網絡和第二網絡的影響，但初始模量變化的速率則與(yu) 第二網絡無關(guan) ，如圖5所示，在預屈服階段初始模量隨最大應變線性衰減，在屈服和硬化階段則趨於(yu) 穩定值。基於(yu) 上述觀察，本文建立了硬化模量和初始模量隨最大應變演化的理論模型，模型參數均可通過單調加載試驗得到。基於(yu) 上述理論模型和單調加載曲線，可近似求解循環過程中的能量耗散密度，如圖6所示。為(wei) 了證明上述損傷(shang) 模型對具有不同物理和化學網絡結構的DN凝膠的適用性，本文合成了兩(liang) 種網絡之間具有不同物理纏結密度和具有不同化學組成的DN凝膠，如圖7所示。模型預測結果與(yu) 實驗數據吻合良好。

圖4 硬化模量隨最大應變的變化

圖5 初始模量隨最大應變的變化

圖6 DN凝膠在循環載荷作用下不同拉伸階段的耗散能密度預測方法

圖7 模型預測結果與(yu) 循環加載試驗實驗結果的比較

綜上所述，本文研究了網絡組成對DN凝膠在單調加載下的變形模式和斷裂韌性的影響，並為(wei) 其中具有較好斷裂應變和斷裂韌性表現的“Ductile & Necking"型水凝膠建立了損傷(shang) 模型，實現了對DN凝膠在循環加載下的應力-應變響應與(yu) 能量耗散密度的理論預測。值得注意的是，本文的DN凝膠由剛度較高、脆性較大且分子鏈更短的第一網絡與(yu) 柔度較高、韌性較強且分子鏈更長的第二網絡共同組成，循環加載過程中損傷(shang) 幾乎全部源於(yu) 第一網絡的斷裂，本文建立硬化模量與(yu) 初始模量之間的聯係基於(yu) 該損傷(shang) 機製，且是在此基礎上構建了相應的損傷(shang) 模型，在學習(xi) 與(yu) 借鑒過程中需要注意模型的適用性。

相關(guan) 論文以“Damage mechanism insights into double network hydrogels: Predicting cyclic loading behaviors via monotonic loading"為(wei) 題發表在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》。