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3D水凝胶的各向异性溶胀分析

更新时间: 2021-08-04 16:29:32  查看次数: 236    
将水凝胶在恒定的化学势和温度下的真实应力与变形梯度联系起来,并表明当水凝胶中的应力场是非均匀的、各向异性时,变形梯度场也是如此。该公式为引入水凝胶的各向异性溶胀奠定了基础。

选择无应力状态的干网络作为参考构型,干网络状态的体积应变J=1,然而对于已经合成的正常水凝胶的体积应变应该大于1,这避免了公式中的奇异问题。但是对于有一定溶胀状态的正常水凝胶选择一个没有外力作用和在初始化学势能下平衡的自由溶胀构型更加直观,同时保持自由能方程的完整性。

这样的选择同样能避免公式中的奇异问题。相对于干网络,水凝胶在这种状态下的网络随着各向同性拉伸而得到初始溶胀。因此我们能通过应力(公式)为零,得到初始化学势能与初始伸长率之间的关系。相对于干网络,初始的自由溶胀状态可以用变形梯度来表征 。在之后各向异性的计算中,这个变形梯度将最终的变形和无应力干网络联系起来。因此,后续溶胀产生的变形梯度, 相对于初始溶胀状态的体积比,则同时以初始自由溶胀态为参考构型。


水凝胶各向同性自由溶胀的自由能函数,该自由能函数将应力场与变形场联系起来,为接下来各向异性溶胀提供了基础。值得注意的是水凝胶合成后相对于干网络状态的初始溶胀伸长率,是指后续因外力或者外部溶剂进入导致的相对于初始溶胀状态的变形梯度,这样的处理也方便后续各向异性纤维的引入。