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3D打印形状记忆智能剪纸结构

精密成形工程 2023年第11期15卷 39-45页

作者：刘志鹏韩宾李芸瑜张琦西安交通大学机械工程学院西安710049

目的探究不同切口及不同打印角度形状记忆剪纸结构的拉伸力学性能及形状记忆恢复性能,获得具有较好变形能力和形状记忆恢复能力的智能化剪纸结构。方法使用FDM打印不同角度的剪纸结构样件,并利用激光切割机获得具有方形切口和圆形切口... 详细信息

目的探究不同切口及不同打印角度形状记忆剪纸结构的拉伸力学性能及形状记忆恢复性能,获得具有较好变形能力和形状记忆恢复能力的智能化剪纸结构。方法使用FDM打印不同角度的剪纸结构样件,并利用激光切割机获得具有方形切口和圆形切口的样件。对打印角度为0°/90°、±45°的方形切口和圆形切口样件进行常温拉伸实验。为探究温度的影响,进行高温缓慢拉伸实验和高温快速拉伸实验;对比方形切口件和圆形切口件在不同初始应变下的形状记忆恢复能力。结果在常温下,打印角度为0°/90°的方形切口样件的拉伸距离为1.75mm,圆形切口样件的拉伸距离为2.50mm;±45°打印角度的方形切口样件的拉伸距离为3.25mm,圆形切口样件的拉伸距离为3.00mm。在高温下,材料进入高弹态,2种切口样件在200%拉伸应变下均未断裂;提高拉伸速率后,方形切口样件的拉伸应变为243.8%,圆形切口样件的拉伸应变为337.5%。结论将打印角度从0°/90°改为±45°后,方形切口和圆形切口剪纸结构的变形能力均增强。相比于方形切口,圆形切口剪纸结构具有更好的变形能力。高温下剪纸结构的变形能力大大增强;圆形切口剪纸结构样件的形状记忆恢复能力强于方形切口样件的。

关键词： 3D打印形状记忆剪纸结构切口形状结构设计

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基于剪纸结构的压电俘能性能研究

基于剪纸结构的压电俘能性能研究

作者：张笑凡哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来随着微电子设备的不断发展，对供能方式提出了更高的需求。压电俘能技术能够收集环境中普遍存在的振动能，具有受环境限制小、应用范围广等优点，受到了研究人员的广泛关注。但是压电俘能技术存在输出功率低、难以收集环境中低频... 详细信息

近年来随着微电子设备的不断发展，对供能方式提出了更高的需求。压电俘能技术能够收集环境中普遍存在的振动能，具有受环境限制小、应用范围广等优点，受到了研究人员的广泛关注。但是压电俘能技术存在输出功率低、难以收集环境中低频振动等缺陷，大大限制了其应用范围。针对这一问题，本文将旋转三角形剪纸结构与压电俘能系统相结合，利用其独特的力学特性实现压电俘能性能的改善。　　本文提出的剪纸结构包括等边三角形和等腰三角形的单胞及阵列结构。首先对剪纸结构进行设计，分析了自由旋转状态下和约束状态下，结构的泊松比和杨氏模量等力学特性。进一步将剪纸结构应用于压电俘能器中，推导出了俘能系统中固-电物理场的控制方程，得到了俘能系统在外界环境振动激励下系统动力学响应的求解方法。　　本文基于理论分析结果，利用有限元软件中的静力学分析，得到了剪纸结构中约束方法、几何参数、阵列方式对弹性梁刚度和负泊松比特性的影响规律。接着将以上剪纸梁应用于悬臂梁式和固支梁式压电俘能器中，利用固-电物理场有限元联合仿真，得到了在不同剪纸结构下，压电元件的应力分布和压电振子的固有频率及输出功率的变化规律。通过与其余三种负泊松比剪纸结构进行对比，证明了旋转三角形剪纸结构在俘能性能中的优越性。　　搭建了实验平台，加工出了带有剪纸结构的悬臂梁式和固支梁式压电俘能器。对实验结果进行处理后，证明了剪纸结构可以有效改善压电振子的性能，对于悬臂梁式压电俘能器，至多可以提高93.7%的输出功率，同时可以降低至多26.57%的固有频率，但是会降低至多29.07%的带宽;而在固支梁式压电俘能器中则至多可以55.74%的输出功率，同时可以降低至多14.31%的固有频率，但是会降低4.72%的带宽。同时，实验结果与理论分析、有限元仿真的结果均可以良好对应，证明了分析结果的有效性。

关键词：压电陶瓷剪纸结构能量收集力学非线性负泊松比压电俘能性能

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基于剪纸结构的热管理辐射角度调控

基于剪纸结构的热管理辐射角度调控

作者：周熙书华中科技大学

学位级别：硕士

热辐射是物体热交换的重要途径之一,合理的辐射调控对于降低建筑的制冷能耗,提高能源利用效率有重要的意义。新兴的基于屋顶的白天辐射制冷技术利用大气窗口,实现了建筑与外太空冷源的高效辐射交换,降低了建筑物表面温度,展示了在建筑... 详细信息

热辐射是物体热交换的重要途径之一,合理的辐射调控对于降低建筑的制冷能耗,提高能源利用效率有重要的意义。新兴的基于屋顶的白天辐射制冷技术利用大气窗口,实现了建筑与外太空冷源的高效辐射交换,降低了建筑物表面温度,展示了在建筑节能上的巨大应用潜力。然而,相比于屋顶的辐射散热,当该技术应用于竖直窗户时,由于热辐射通常以半球形式发射,窗户与外太空之间的辐射换热效果因为有限的辐射角而受到显著抑制。针对该问题,本文通过剪纸结构与材料的筛选设计了选择性反射体,开展了面向窗户的热辐射角度调控研究。首先,本文提出了剪纸结构调控热辐射角度的设计策略。通过模型探究了基于剪纸结构的选择性反射体对于辐射体辐射强度的影响规律,并获得了两者在不同夹角下的辐射强度分布,得出当剪纸结构与辐射体的角度为45°时具有最大辐射强度。随后,从光学和力学上对剪纸结构进行设计。以掺锡氧化铟(ITO)为红外反射层,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为红外发射层制备了双层材料,并优化其结构参数获得剪纸结构。利用其特征角与轴向应变的关系式,得到了最优化辐射特性的剪纸结构轴向应变为41.4%。最后,测试了剪纸结构对热辐射调控的影响。通过对比剪纸结构不同偏转方向的红外图像,验证了热辐射角度的调控在热管理中的可行性。此外,通过户外测试,验证了基于剪纸结构的选择性反射体对于窗户在白天与夜晚下的制冷、保温性能,为智能窗的温度调控提供了思路。

关键词：热管理辐射制冷剪纸结构辐射角节能窗

基于静电纺丝的剪纸结构智能绷带设计及应用研究

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基于静电纺丝的剪纸结构智能绷带设计及应用研究

作者：许磊青岛大学

学位级别：硕士

人体皮肤承担了重要的保护功能,是隔绝外来病原体的第一道屏障。皮肤被破坏后如果没有被适当地护理和治疗,就有可能遭受严重的感染,进而发展成慢性伤口,给患者带来痛苦。因此,如何为皮肤创伤提供舒适的护理和及时有效的治疗是医疗健康... 详细信息

人体皮肤承担了重要的保护功能,是隔绝外来病原体的第一道屏障。皮肤被破坏后如果没有被适当地护理和治疗,就有可能遭受严重的感染,进而发展成慢性伤口,给患者带来痛苦。因此,如何为皮肤创伤提供舒适的护理和及时有效的治疗是医疗健康领域一直关注的问题。各类功能化敷料的应用能够起到抑制感染和促进伤口愈合的作用。静电纺丝纳米纤维具有类似细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)的结构和较好的柔软度,能够表现出良好的促愈合效果,这使其成为了备受关注的新型伤口敷料。然而,敷料的可拉伸性是临床中的一个关键问题:不易拉伸的敷料不但会阻碍患者正常活动,还会对伤口表面造成压迫,影响愈合速度。此外,为了检查伤口的具体情况,往往需要暂时移除敷料,这一过程带来的二次伤害是限制传统敷料使用的另一个关键问题。针对以上情况,本文在功能化敷料方向开展了如下工作:(1)设计了一种剪纸结构,并制备了具有这种剪纸结构的PLA/PVP电纺纤维膜,同时用喷涂法负载了MXene涂层。与无剪纸结构的PLA/PVP纤维膜相比,具有剪纸结构的纤维膜伸长率从16%提高到了133%,同时断裂应力从5.4 MPa降低到k Pa级别;同时,通过调整剪纸图案的形状参数,可以实现对其应力-应变特性的调控,极大地提高了在作为伤口敷料时的运动匹配度和舒适性。在近红外激光的照射下,纤维膜所负载的MXene涂层能够实现高效率的光热转换,快速杀死细菌。具有剪纸结构的复合光热纳米纤维,实现了与患处的舒适匹配和绿色抗感染,用作伤口敷料能够提高患者的舒适度,并显著加快感染伤口的愈合。(2)基于这种剪纸结构纤维膜,进一步为其附加了一种全纤维结构的传感器电极f-sensor,构成了监测治疗于一体的智能绷带。F-snesor能够实现对p H的监测功能,这为评判伤口感染和愈合情况提供了重要依据。实验证明,f-sensor的附加不会严重影响剪纸结构纤维膜的类肤拉伸性能,且在发生各种拉伸、弯折后依然对p H具有高灵敏度。医护人员能够在不移除绷带的情况下,通过伤口表面p H判断伤口状况,避免了对患者的二次伤害。另外,这一智能绷带能在检测到感染时提供光热治疗,及时抑制感染。智能绷带所构成的监测和治疗闭环工作模式实现了对慢性伤口舒适的实时监护。总的来看,这一智能绷带既保证了敷料的舒适性,又能实现同步的监测-治疗智能护理。

关键词：慢性伤口静电纺丝剪纸结构伤口监测抗菌材料

基于复合相变材料的剪纸结构锂离子电池热性能优化

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基于复合相变材料的剪纸结构锂离子电池热性能优化

作者：杨梦竹湖南大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,人们对电子设备的便携性、可穿戴性等要求日渐提高,柔性电池已逐渐应用于可穿戴电子设备中,如智能手环等。剪纸结构锂离子电池是一种通过独特的剪纸结构来实现电池可拉伸性、柔性的新型电池。然而,锂离子电池在充、放电... 详细信息

随着科技的发展,人们对电子设备的便携性、可穿戴性等要求日渐提高,柔性电池已逐渐应用于可穿戴电子设备中,如智能手环等。剪纸结构锂离子电池是一种通过独特的剪纸结构来实现电池可拉伸性、柔性的新型电池。然而,锂离子电池在充、放电过程中由于锂离子的脱嵌、极化效应等,会不可避免地产生大量的热量。倘若产生的热量不能及时地排出,滞留在电池内部,将导致电池充、放电性能衰减、加速老化等危险情况。因此,电池热管理系统被普遍应用于电池中,以解决电池的散热问题。目前,对于常见的圆柱电池和方形电池的热管理系统的研究较为成熟,而对柔性、可拉伸电池的热性能的研究较为匮乏。并且,可拉伸电池热管理系统的设计没有统一的、较为明确的指导方案。因此,本文旨在研究剪纸结构锂离子电池的热行为,提出并优化一种适用于此电池的热管理系统,具体工作如下:首先,为了模拟剪纸结构锂离子电池的发热情况,通过有限元理论在商业软件COMSOL MULTIPHYSICS中建立此电池的电化学-热耦合模型。该模型的建立分为两个部分:基于剪纸结构电池的几何形状建立三维的热模型;基于锂离子电池的组成结构、工作原理等建立伪二维电化学模型。并且通过瞬态传热方程将两个模型耦合。随后,将建立的有限元模型得到的仿真结果与实验数据进行对比以验证模型的精确度。其次,基于剪纸结构锂离子电池的限元模型,研究并比较了在不同的放电倍率(1C、3C和5C)、环境温度(288.15K、298.15K和308.15K)、对流换热系数(0、5 W/(m·K)和25 W/(m·K))几种不同情况下,锂离子电池表面的产热情况;并探究极耳位置(分布在电池同侧及分布在电池异侧)对电池产热的影响。再次,由于石蜡/膨胀石墨复合相变材料具备成本低,形状稳定,不易泄漏等优点,将其应用于剪纸结构锂离子电池的热管理系统。通过定义最小传热单元确定此复合相变材料热管理系统的比热容、热导率等参数。基于此可拉伸锂离子电池在5C的放电倍率下的热云图,设计了一种新颖的热管理系统的分布方式。比较不同的热管理单元设计(正方形和圆形)下的散热情况。最后,基于MATLAB软件对提出的热管理系统进行在线优化。为分析不同设计参数对目标函数(电池表面最高温度T和最大温差△T)的影响,使用全局敏感性分析对设计参数的影响进行量化并过滤对产热影响不大的因素。通过代理模型建立设计变量与目标函数的关系,并对其精确度进行分析。为避免进化算法的偶然性,采用不同的多目标进化算法进行在线优化,并对优化结果进行比较。综上所述,本文基于有限元法建立剪纸结构锂离子电池的电化学-热耦合模型。提出并优化了一种基于石蜡/膨胀石墨复合相变材料的热管理系统,以降低电池表面最高温度并改善电池表面温度分布的均匀性。本文为可拉伸锂离子电池热管理系统的设计提供了一种新颖的设计方法和理论指导。

关键词：剪纸结构可拉伸电池柔性电池电池热管理系统优化设计

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基于透明导电剪纸结构的动态辐射节能窗研究

基于透明导电剪纸结构的动态辐射节能窗研究

作者：殷涵之华中科技大学

学位级别：硕士

窗户作为建筑节能中的薄弱环节,优化窗户热辐射性能对提高建筑能源利用效率具有重要意义。无源辐射制冷技术可以通过大气窗口以热辐射的形式与寒冷的宇宙进行热量交换,展现了极大的建筑节能应用潜力。然而将辐射制冷技术应用于窗户节能... 详细信息

窗户作为建筑节能中的薄弱环节,优化窗户热辐射性能对提高建筑能源利用效率具有重要意义。无源辐射制冷技术可以通过大气窗口以热辐射的形式与寒冷的宇宙进行热量交换,展现了极大的建筑节能应用潜力。然而将辐射制冷技术应用于窗户节能中,存在一定限制:一是热辐射能量交换存在角度依赖性,使制冷效率受到限制;二是静态辐射特性较难适应动态气候条件,可能会带来额外的能耗。针对上述问题,本文将剪纸技术引入具有红外波段高反射特性的透明导电氧化物复合薄膜材料,设计了面向节能窗应用的双工作模式剪纸结构,利用剪纸结构的可重构性实现热辐射角度的动态调制进行模式切换。使其具有增强窗户被动辐射的制冷模式和抑制窗户热散失的保温模式。主要研究结果如下:(1)对热辐射角度调控的工作原理进行了研究,依据辐射制冷原理建立了垂直辐射体与热反射体模型,通过Comsol软件模拟了不同因素对辐射强度的影响,得出了垂直辐射体与热反射体之间的最优特征角度45°。基于此结论对剪纸结构进行了几何参数设计,并综合光学性能和力学性能需求筛选了最优加工结构参数,包括切向切割长度L、切向切割间距x和轴向层间距y,分别为16 cm、4 cm、3 cm。(2)基于可见光透明的红外反射材料研究,综合光学性能和力学性能需求选择了透明导电氧化物氧化铟锡(ITO)作为红外反射层,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为机械支撑层,制备了在2.5～18μm波段红外反射率为0.93,0.4～0.7μm波段可见光透过率为0.72的透明导电氧化物复合薄膜材料,并通过图案设计和激光加工制备特定剪纸结构。开展了耐候性和机械稳定性测试,验证了其实际应用可行性。(3)测试了剪纸结构的实际应用性能并对其节能潜力进行了评估。利用红外相机验证其热辐射角度调控能力,并通过户外测试证实其实际温度调控效果。结果表明与普通窗相比,在制冷模式下剪纸结构可以实现约3.3℃的降温;与环境相比,在保温模式下剪纸结构可以实现约3.9℃的升温。通过Energy Plus软件模拟建筑能耗,对透明导电剪纸结构耦合窗的节能潜力进行了评估。结果表明剪纸结构的动态热辐射调控能力使其在不同气候条件下具有建筑节能效果,预计每年可节约34～88 MJ m的暖通空调能耗,占全年暖通空调能耗的13%～29%。

关键词：辐射角度调控剪纸结构节能窗建筑节能透明导电氧化物

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可编程剪纸圆管超材料设计与性能分析

可编程剪纸圆管超材料设计与性能分析

作者：王宝龙太原理工大学

学位级别：硕士

可编程力学超材料具有可按需定制、可重定制的特性,在众多新兴领域都显现出巨大的应用潜力,使其成为超材料领域中一个热门的研究方向。剪纸结构由切缝及基体构成,通过简单的切缝可带来突出的力学性能,使其成为设计可编程力学超材料的重... 详细信息

可编程力学超材料具有可按需定制、可重定制的特性,在众多新兴领域都显现出巨大的应用潜力,使其成为超材料领域中一个热门的研究方向。剪纸结构由切缝及基体构成,通过简单的切缝可带来突出的力学性能,使其成为设计可编程力学超材料的重要手段。本文基于剪纸结构设计了可编程力学性能的剪纸圆管超材料,并应用实验与数值仿真方法分别研究了其结构失稳特性及可编程力学性能。本文首先进行了剪纸圆管结构的几何设计,通过在圆管结构上添加切缝得到了剪纸圆管超材料的基本单元,并确定剪纸圆管结构的主要控制参数为切缝的几何参数。以单段剪纸圆管为研究对象,分别设计了剪纸单元高度、厚度、个数不同的单段剪纸圆管。通过实验与数值模拟的方法研究了其在轴向压缩载荷下的失稳特性,结果表明剪纸圆管在受压时剪纸单元会屈曲变形,对应的力位移曲线具有峰值及平台段。分析得到了剪纸单元几何参数对临界载荷及力位移曲线的影响规律,确定了通过控制剪纸单元几何参数调控剪纸圆管力学性能的设计策略。应用该策略,组合不同参数的剪纸单元设计出多段剪纸圆管,其在受压时会按照各段剪纸单元的临界载荷由小到大的顺序分步变形,力位移曲线呈现阶梯型,阶梯的个数由剪纸圆管具有几种不同参数的剪纸单元决定,上述结果进一步验证了本文的设计策略。基于经典壳屈曲理论,介绍了计算临界屈曲载荷的公式,并定性的分析了剪纸单元各几何参数同临界载荷间的关系。其次,本文研究了剪纸圆管的可编程性,分别利用不同厚度剪纸单元组合成的剪纸圆管和不同高度剪纸单元组合成的剪纸圆管,运用数值仿真的方法分析了两类多段剪纸圆管,通过调控组合时的个数及顺序实现了对力位移曲线的编程,可在一定区域内定制递增的阶梯型力位移曲线,有望用于模拟不同材料的力学行为。通过调控剪纸单元组合时的顺序实现不同的变形对应相同的力位移曲线,通过控制组合时剪纸单元的参数大小实现相同的变形产生不同的力位移曲线,总体上实现了对剪纸圆管力学性能和变形的综合编程。最后探索了剪纸圆管超材料的应用,定义了剪纸圆管变形过程中对应的结构形式转换过程,将其与信息存储联系了起来。通过在剪纸圆管中加入磁铁,得到了具有多稳态特性的剪纸圆管,运用实验方法研究了其受压时的力学响应及变形过程中的结构形式转换,得到了多稳态剪纸圆管变形规律。在此基础上将多稳态剪纸圆管阵列排列并固定,设计出了具备信息存储等功能的机械存储设备,研究了其不同状态间的转换过程并给出了一般性的示例。测试了该机械存储设备在外部干扰下的鲁棒性,结果表明本文通过在单元中额外引入磁性磁极,实现了机械存储设备的结构稳定性和所需的结构鲁棒性,这可以保护存储的信息免受机械挤压、冲击和/或摇晃等干扰。通过上述研究,剪纸圆管超材料展现出良好的可编程性、可拓展性、可设计性等特性,在机械信息存储、软体机器人、可重复使用的能量吸收器等方面具有巨大的应用潜力,也可为新一代多功能超材料的开发提供指导。

关键词：剪纸结构力学超材料可编程性能失稳特性信息存储

基于数字化增材和减材制造工艺的柔性传感系统和太阳能跟踪器

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基于数字化增材和减材制造工艺的柔性传感系统和太阳能跟踪器

作者：贾兴旺华中科技大学

学位级别：硕士

现如今,随着科学技术的发展,数字化制造技术逐渐成熟。相比于传统的制造技术,数字化制造技术可以大大地简化产品的设计制造过程,降低制造成本,提高集成度。根据成型方式区分,可以把数字化制造技术分为增材制造工艺和减材制造工艺。本文... 详细信息

现如今,随着科学技术的发展,数字化制造技术逐渐成熟。相比于传统的制造技术,数字化制造技术可以大大地简化产品的设计制造过程,降低制造成本,提高集成度。根据成型方式区分,可以把数字化制造技术分为增材制造工艺和减材制造工艺。本文利用增材制造工艺和减材制造工艺实现了柔性多功能传感系统、柔性液态金属射频天线和太阳能跟踪器。首先,基于墨水直写增材制造工艺实现了柔性多功能传感系统。具体工作内容:搭建了一套重复定位精度为5μm的墨水直写3D打印平台;基于直写打印工艺制备了压力、温度多功能MXene传感器;基于微米银片导电墨水打印了柔性单片机电路;将传感器与单片机电路集成,实现了完整的柔性多功能传感系统。其次,基于墨水直写增材制造工艺实现了柔性液态金属射频天线。具体工作内容:探究了液态金属EGa In直写打印工艺,设计与制造了13.56 MHz液态金属射频天线;将液态金属射频天线与电容元件连接,实现了完整的柔性射频电路,测试并验证了射频电路的柔性稳定性能;将液态金属射频天线与温度传感射频芯片连接,实现了柔性无源温度传感应用。最后,基于激光雕刻减材制造工艺实现了kirigami剪纸结构太阳能跟踪器。现有的商用太阳能跟踪系统体积庞大,重量大,安装环境要求高,并伴随着制造、运行、维护成本增加的问题,限制了其在中小规模光伏发电中的应用。剪纸结构太阳能跟踪系统具备低成本、轻量化、易驱动等优点,可以作为商用太阳能跟踪系统的补充来推广太阳能跟踪技术,从而进一步提高太阳能的利用率。具体工作内容:基于激光雕刻减材制造工艺,设计制造了相互正交切口的柔性PET剪纸结构;讨论了该剪纸结构的可控屈曲效应;将剪纸结构与高效率、低成本的钙钛矿太阳能电池集成,实现了具备优良动态光学跟踪性能的太阳能跟踪系统。

关键词：墨水直写柔性传感系统激光雕刻剪纸结构太阳能跟踪器

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水凝胶的应用与有限元建模

水凝胶的应用与有限元建模

作者：徐曌哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

自60年前水凝胶被首次合成以来,因为其独特的激励响应性以及良好的生物相容性,人们对水凝胶进行了广泛的研究。尤其是近20年,人们对水凝胶的关注度越来越高,开发出各种具有不同特性以及功能的水凝胶,并将其应用于组织工程、药物输送、... 详细信息

自60年前水凝胶被首次合成以来,因为其独特的激励响应性以及良好的生物相容性,人们对水凝胶进行了广泛的研究。尤其是近20年,人们对水凝胶的关注度越来越高,开发出各种具有不同特性以及功能的水凝胶,并将其应用于组织工程、药物输送、细胞培养、人造器官、水处理、传感器、致动器、涂层、可穿戴的电子设备以及软体机器人等领域。本文主要介绍了分别使用3D打印和多步光刻聚合法制备的两种水凝胶的溶胀实验,并借助有限元软件模拟凝胶的溶胀过程,分析凝胶产生变形的机制以及其潜在的应用价值。第一个实验是利用3D打印制备长条形凝胶,并将其放置在水中进行溶胀,凝胶发生了一系列有趣的变形:弯曲-恢复-反向弯曲-恢复-保持不变。凝胶发生连续两次方向相反的弯曲是以前的实验没有观察到的。借助有限元模拟重现凝胶这一系列的变形,并分析凝胶内部的应力分布图和溶剂浓度分布图。通过分析,得出结论,凝胶发生连续变形的原因是:利用3D打印制备凝胶,由于在完全固化前,前驱体溶液是可以流动的,导致得到的长条形凝胶的截面是不对称的“月牙形”。不对称的截面导致凝胶在溶胀后分别受拉和受压部分的凝胶形心不重合,拉压应力形成一对力矩使凝胶发生弯曲。又因为凝胶内存在两种溶剂扩散(水分子快速向内扩散和有机溶剂分子慢速向外扩散),扩散过程首先由水主导,随后由有机溶剂主导(此时水接近溶胀平衡),两种溶剂的交替主导导致弯曲方向的交替。有限元仿真和实验中的结果可以很好的吻合。第二个实验是借助剪纸结构的思路设计凝胶的二维结构,并用多步光刻聚合法制备凝胶。在硬质不溶胀的凝胶边框内连接具有二维剪纸结构的柔软高溶胀的凝胶。在溶胀后,因为硬质的外边框会限制内部高溶胀凝胶的横向扩展,导致凝胶产生面外的屈曲或扭转。通过控制高溶胀凝胶每个部分的屈曲方向,可以使凝胶在溶胀后具备多种的构型。通过分层设计二维面内的剪纸结构,让凝胶在溶胀后具备三维多层结构,可以应用于电路多触点开关的设计。用有限元模拟凝胶的溶胀变形,可以得到和实验非常吻合的结果。智能水凝胶在生物医学设备、柔性电子和软体机器人等方面有很好的应用前景,本文中提及的两种凝胶的变形机制在可变形智能水凝胶中具有重要的意义。

关键词：水凝胶有限元建模 3D打印剪纸结构