本書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征中存在的問題；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，使其能夠表征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；在發展實驗表征技術的同時，提出了水凝膠的隨機纖維網絡模型和框架式模型，實現了對水凝膠宏觀力學行為的細觀機理探索；提出了可以表征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。本書對水凝膠準確的力學行為實驗表征技術及細觀機理研究具有相當的參考價值。
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 強度增強和損傷表征 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征 9
2.1 PVA水凝膠試件制備 9
2.1.1 凍融法 10
2.1.2 試件制備注意事項 11
2.1.3 含水率測量 13
2.2 加載失水測量 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 溶液環境中的加載失水行為 30
參考文獻 33
第三章 水凝膠黏彈性行為的實驗表征 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最優加載速率 40
3.2 鼓泡法 45
3.2.1 經典球冠模型 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征 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 速度重復性驗證 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 溶液環境中的動態加載 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 適用于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征 79
5.1 三維PVA水凝膠的纖維網絡模型 79
5.1.1 水凝膠的細觀結構 79
5.1.2 網絡模型生成方法 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 纖維網絡非線性力學行為的微觀機理 91
5.3 多軸加載下纖維網絡的力學行為 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 基于單相纖維網絡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絡 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 框架式模型中最小勢能原理的運用 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系 125
6.1 準靜態本構模型 125
6.1.1 本構模型基本假設 125
6.1.2 準靜態本構模型推導 126
6.1.3 加載下體積變化率的推導 130
6.1.4 準靜態單軸壓縮的擬合效果 132
6.2 動態本構關系 134
6.2.1 動態本構方程推導 134
6.2.2 軸向應變率和徑向應變率的關系 135
6.2.3 動態單軸壓縮的擬合效果 137
參考文獻 139
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