Complas 2025

COMPLAS 2025

Rate-dependent Fracture of Hydrogels due to Water Diffusion

Lu, Tongqing (Xi'an jiaotong university)
Yang, Yan (Xi'an jiaotong university)
Wang, Tiejun (Xi'an jiaotong university)

In session: 201A - Modeling and Computation of Inelasticity in Soft Materials I

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当水凝胶变形时，水凝胶内的水分子会与聚合物网络一起移动。在特定的时间尺度和长度尺度上，水凝胶内部的水迁移以及与环境的水交换会极大地影响水凝胶的变形。我们从实验和理论上研究了由于水迁移引起的水凝胶的速率依赖性断裂。我们构建了一个实验装置，可以将机械载荷施加到浸入液体环境、水或油中的水凝胶样品上。我们对不同负载速率下的水凝胶样品施加单调载荷，发现水凝胶的断裂拉伸高度依赖于水凝胶浸入水时的负载速率，而当水凝胶浸入油中时，几乎与负载速率无关。我们还对水凝胶样品施加了阶跃载荷，发现浸入水中的水凝胶比浸入油中的水凝胶更容易发生延迟断裂。我们采用 Hong et al. （2008）开发的结合水迁移的大变形理论，并使用有限元软件计算了两种环境条件下水凝胶的变形和断裂。数值计算表明，在实验中使用的时间尺度和长度尺度上，水运移满足裂缝的小尺度膨胀条件。当水凝胶浸入水中时，水分子可以在不同的负载速率下与环境交换。当水凝胶浸入油中时，水分子几乎无法进出水凝胶。理论预测解释了实验结果。