数统力学院杨庆生教授团队在JMPS发表高水平学术论文

水凝胶作为一种具有巨大潜力的仿生材料，凭借其高含水量、多刺激响应性和卓越的生物相容性，近年来引起了广泛关注。随着水凝胶应用领域的不断扩展，科学家们对其力学响应的精细调控提出了更高的要求。然而，水凝胶在外部载荷驱动下表现出复杂的粘-超弹性响应，涉及多个时间和空间尺度上的耦合作用，使得其力学响应的精细控制成为一个巨大的挑战。

图1 (a) 链伸长与链间滑移耦合效应示意图；(b) 二层级宏微观映射规则示意图

 为了解决这一难题，北京工业大学数学统计学与力学学院杨庆生教授团队提出了一种全新的粘弹性-超弹性本构模型。该模型创新性地将粘弹性贡献纳入到超弹性自由能中，以更好地捕捉不同层级分子链行为之间的耦合机制。通过引入链端至端距离和包络半径这两个关键参数，研究团队能够更精确地描述水凝胶中分子链的三维构象，并通过联合概率分布分析捕捉链构象与链分布之间的复杂关系。此外，团队还提出了两层级宏观与微观的映射规则，能够将微观尺度的链间滑移和链段伸长与宏观变形紧密关联。通过对单轴加卸载实验的模拟，验证了模型的有效性，同时揭示了网络变形之间的耦合作用所引起的单链伸长和链间滑移的时空效应不匹配对水凝胶的粘弹性响应的贡献。该工作不仅为水凝胶的本构建模提供了重要的理论依据，也为未来水凝胶材料的性能优化和工业应用开辟了新的方向。

图2 不同应变率下单轴加卸载应力-应变曲线

图3 (a) 相对滑移距离在加卸载过程中的演化；(b) 滑移取向角在加卸载过程中的演化。

 近日，相关研究成果以“A visco-hyperelastic constitutive model of hydrogel considering the coupling effect between segment motion and interchain slippage”为题，发表在上Journal of the Physics and Solids。北京工业大学刘鑫宇为论文第一作者，杨庆生教授、陶然副教授和饶威副教授为通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金重点项目“天然多级纤维增强复合凝胶的强韧化机理与多场耦合力学”和青年科学基金项目“基于非平衡统计理论的金属玻璃本构模型及变形行为研究”等的支持。

数学统计学与力学学院

                                    2024年12月10日