项目名称: 聚电解质凝胶的力-化-电动态耦合机制研究

项目编号: No.11502279

项目类型: 青年科学基金项目

立项/批准年度: 2016

项目学科: 数理科学和化学

项目作者: 王鹏飞

作者单位: 中国空间技术研究院

项目金额: 20万元

中文摘要: 聚电解质凝胶作为一类典型的智能软材料,对环境温度、电场、化学物质等外界刺激具有显著的大变形响应,其在柔性驱动、环境传感、药物释放等领域具有广阔的应用前景。大多数聚电解质凝胶的刺激响应过程涉及复杂的化学反应与物理变化特征,其耦合动力学机制研究是该智能材料迈向实际应用的关键环节。本项目将通过理论与实验相结合的方式,重点研究聚电解质凝胶内的反应动力学、聚合物网络变形、物质扩散以及电势场作用之间的相互耦合机制,建立适用于多种聚电解质凝胶的力-化-电动态耦合模型。此外,基于微尺度压痕和电化学测量原理,研究软材料的力学、电化学参数的实验测量方法,为理论模型和数值模拟提供可靠的数据支持,并系统分析不同时间尺度和空间尺寸对聚电解质凝胶动态耦合特性的影响规律。最后,利用上述理论模型与实验方法,设计并分析若干典型聚电解质凝胶器件的动态响应特征和性能优化方法,为这种智能软材料的广泛应用奠定重要基础。

中文关键词: 聚电解质凝胶;反应动力学;多物理场耦合;智能器件

英文摘要: As typical smart soft materials, polyelectrolyte gels can present a large deformation induced by environmental temperature, electric field and chemicals, which maintain great potentials in soft actuator, environmental sensor, drug delivery, etc. The response behavior of polyelectrolyte gels mostly involves complicated chemical reaction and physical changes, and the investigation of their dynamic coupling mechanism plays an essential role for the application of these smart materials. Through theoretical and experimental approaches, the coupling mechanism of reaction kinetics, deformation of polymer network, mass diffusion and electric field in the gels will be uncovered, and a general dynamic electro-chemo-mechanical model will be proposed for most polyelectrolyte gels. Furthermore, based on the theories of micro-indention and electrochemical measurement, the related mechanical and electrochemical parameters will be tested to support the theoretical and numerical analysis. Additionally, the influence of time and length scales on the dynamic behavior of polyelectrolyte gels will be fully probed. Finally, with the above theories and experiments, this project will further analyze and optimize the dynamic performance of several typical designed polyelectrolyte devices, which is supposed to lay significant foundations for the application of these smart soft materials.

英文关键词: Polyelectrolyte gels;Reaction kinetics;Multiphysics coupling;Smart devices

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