蔡义杰，马杰，沈子行，邵宪民，郑佳*，瞿绍星，通过双分子层设计调节能量释放速率来增强水凝胶的抗破裂能力:理论与实验， Journal of Mechanics and Physics of Solids, 170, 105125 (2023)
在过去二十年中，由于水凝胶在抗破裂性能上的显著提高，在各种实际应用中越来越有吸引力。值得注意的是，几乎所有现有的提高水凝胶抗断裂能力的方法都是通过多尺度材料设计来提高断裂韧性Γ。然而，在材料水平上设计水凝胶的韧性通常需要特定于材料的、复杂的或昂贵的合成工艺。根据断裂条件G = Γ，降低给定机械载荷下的能量释放率G是增强断裂抗力的另一种方法。然而，到目前为止，使用这种方法来增强水凝胶等软材料的抗断裂性的努力很少，这主要是由于它们的高度非线性和变形行为。本文提出了一种研究单层和双层水凝胶薄膜断裂的理论，并提出了一种基于结构的策略，通过构建附着在下面的可拉伸基底上的水凝胶膜来增强水凝胶的抗断裂能力。通过理论分析和实验验证，我们证明了该策略具有几个独特的优势:即使是薄而柔顺的基材也可以将水凝胶膜的抗断裂能力提高数倍，并且使水凝胶膜的抗断裂能力与裂缝长度和水凝胶尺寸无关，这极大地影响了单层水凝胶的断裂行为。其潜在机制在于可拉伸基底能有效地约束裂纹张开位移，降低裂纹在水凝胶膜中扩展的能量释放率G。 Moreover, the influence of experimentally-observed interfacial delamination on the fracture resistance of substrate-supported hydrogels is also investigated. The present work unveils a first-of-its-kind “structural-toughening” strategy for improving the fracture resistance of hydrogels by structurally regulating the energy release rate.
软质材料可以经历各种变形不稳定性，包括起皱、折痕和颈缩。大多数关于软质材料不稳定性的现有研究都考虑了瞬时不稳定性，当施加的载荷超过阈值水平时，瞬时不稳定性就会发生。在此，我们揭示了水凝胶的延迟拉伸不稳定性，这是一种很大程度上未被研究的软材料不稳定性模式。顾名思义，当受到一定程度的拉伸载荷时，水凝胶可能最初保持稳定，然后在一段时间后突然变得不稳定。我们发现了各种形状的水凝胶的延迟失稳模式，包括拉伸的双网水凝胶条的颈缩，加压的球形气球的爆裂以及充气的圆柱形管的胀形。我们揭示了张力诱导的水凝胶吸水是支撑延迟拉伸不稳定性的关键机制。这项研究的结果揭示了设计水凝胶以减轻或控制变形不稳定性的新指导方针。
水凝胶是含有大量单一溶剂(即水)的聚合物链网络。高度的水合作用不仅赋予了水凝胶优异的生物相容性，但也产生了一些缺点，包括高挥发性和不能承载疏水药物。为了提高水凝胶的通用性以满足不同应用的要求，人们制造了双溶剂凝胶(例如，在水乙醇中的凝胶)，希望利用水和其他有机溶剂的优点。在本文中，为了理解二元溶剂凝胶的基本力学，我们建立了一个基于扩展的Flory-Huggins晶格理论的自由能函数，并推导了平衡方程的本构模型。然后，我们应用该模型来检验二元溶剂凝胶在机械力或几何约束下的力学行为。该模型能较好地捕捉到双溶剂凝胶的一些实验结果，如不溶性效应。特别地，我们使用该模型来分析由附着在被动聚合物衬底上的二元溶剂凝胶膜组成的双层软致动器。所提出的模型可以为基于二元溶剂凝胶的新型软机器的设计提供见解。
中国国家科学技术研究所郑佳博士研究组招收博士后浙江大学工程力学系;
< span lang="EN-US"> < span lang="EN-US"> < span lang="EN-US"> < span lang="EN-US"> < span lang="EN-US">(1)功能水凝胶的设计、合成和表征;< span lang="EN-US"> < span lang="EN-US"> (2)研究生的指导。< / span > < / p > < p类=“MsoNormal”> < span > <强> < span lang =“en - us”xml: lang = >“en - us”工作要求< / span > < /强> < / span > < / p > < p类=“MsoNormal”> < span lang =“en - us”xml: lang =“en - us”>(1)机械/材料科学/化学工程博士学位或相关领域;< / span > < / p > < p类=“MsoNormal”> < span lang =“en - us”xml: lang =“en - us”>(2)强烈的背景水凝胶或聚合物的合成和表征;< / span > < / p > < p类=“MsoNormal”> < span lang =“en - us”xml: lang =“en - us”>(3)好英语沟通和技术写作。< span lang="EN-US"> < span lang="EN-US"> < span lang="EN-US"> < p> 薪酬:与经验相当，每年约35,000 - 40,000美元。 聘期:一年，每年续期，最长聘期为三年。< / span > < / p > < p类=“MsoNormal”> < span > <强> < span lang =“en - us”xml: lang =“en - us”>应用< / span > < /强> < / span > < / p > < p类=“MsoNormal”> < span lang =“en - us”xml: lang =“en - us”>,请发送你的简历和联系方式的至少两个引用郑教授贾(< a href = " mailto: zheng.jia@zju.edu.cn " > zheng.jia@zju.edu.cn < / >) < / span > < / p > < p类=“MsoNormal”> < span > <强> < span lang =“en - us”xml: lang = >“en - us”更多信息< / span > < /强> < / span > < / p > < p类=“MsoNormal”> < span lang =“en - us”xml: lang =“en - us”> < span >请访问:http://zhengjia.weebly.com/ < a href = " http://zhengjia.weebly.com/ " > < / >或< a href = " https://person.zju.edu.cn/en/zhengjia " > https://person.zju.edu.cn/en/zhengjia < / > < / span > < / span > < / p > < p > < / p > < / div > < / div > < / div >程健，郑佳*，李腾*，微纤维增强各向异性水凝胶的本构模型及其在木材基水凝胶中的应用，固体力学与物理学报，138 (2020):103893 (DOI: 10.3969 / j.i ssn . 1009 - 1002.2006.06.010)https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.103893)
近年来各向异性水凝胶的发展势头迅猛。特别是将自然界现有的各向异性软材料转化为水凝胶，出现了一种新型的基于微纤维的各向异性水凝胶。例如，木基水凝胶的特点是交联网络作为基质，而更硬的微尺寸纤维素束作为增强物。这些各向异性水凝胶类似于生物体的各向异性微观结构，具有广泛的应用前景。尽管超细纤维增强各向异性水凝胶具有良好的前景，但目前还没有完善的力学模型。现有的本构模型仅限于简化的纤维构型，仅适用于具有大尺寸纤维的各向异性水凝胶，而不适用于复杂的超细纤维分布。此外，与木基水凝胶中纤维素微纤维的非线性行为形成鲜明对比的是，大多数现有模型中的纤维通常是线弹性的。针对这一不足，我们建立了一种适用于微纤维增强各向异性水凝胶的微力学本构模型。 Fiber distributions are included in the proposed constitutive model, which makes possible the investigation of various fiber reinforcement configurations. We explore several important anisotropic mechanical behaviors of the microfiber-reinforced hydrogel, including the anisotropic swelling, and anisotropic stress-strain relation in uniaxial tensile loading. More importantly, we apply the present model to analyze the performance of a humidity-sensitive actuator based on a bilayer of wood-based hydrogel and polyimide. The proposed constitutive model may promote theoretical understandings on the mechanical properties of anisotropic hydrogels and anisotropic-hydrogels-based soft machines.
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 A constitutive model of microfiber reinforced anisotropic hydrogels.pdf | 3.28 MB |
吴磊，韩子龙，赵培，李铁峰，贾铮*，屈绍兴，基于面内变形的高拉伸双层晶格结构，材料工程，2020,1909473 (DOI: 10.3969 / jjj10.3969 / jjj0001)https://doi.org/10.1002/adfm.201909473)
许多新兴技术，如可穿戴电池和电子产品，需要由本质上不易变形的材料制成的可拉伸功能结构。大多数已证明的可拉伸结构的拉伸能力通常依赖于最初的面外构型或平面图样的面外挠度。这种非平面特征可能会显著增加表面粗糙度，导致附着力差，并对随后的多层加工产生不利影响，从而对需要光滑表面的柔性器件(例如，透明电极，其中平坦表面支持高光学透射率是首选)提出了巨大挑战。受胶原组织的层状布局的启发，这项工作展示了一种平面双层晶格结构，它可以通过平面内运动大幅延长，从而保持表面光滑。构建的双层晶格具有高达360%的大拉伸性，远远超出了脆性组成材料的固有变形性，可与柔性电子产品的最先进的可拉伸结构相媲美。采用双层晶格设计的可拉伸导体可以在300%的应变下保持导电性，展示了双层晶格结构的功能和潜在应用。这种设计为需要光滑表面的可拉伸结构的发展开辟了新的途径。 在本研究中，我们开发了一种基于胶原沉积和降解同时作用的软组织生长和重塑的微力学模型。我们在模型中假设胶原降解导致纤维半径减小，而胶原沉积可以增加胶原纤维在负荷下生长的半径和长度。后者源于胶原蛋白沉积在无应力状态的假设，这增加了在机械载荷下生长的纤维的参考长度。纤维轴向应变能密度可以促进和抑制胶原沉积和降解的速率。根据这些假设，我们推导了纤维径向和轴向生长拉伸的动力学关系，以及应力响应和组织生长和重塑的本构关系。我们应用该模型研究了胶原纤维在静力和循环力作用下的生长。循环力加载可以驱动胶原纤维的持续轴向生长，而恒定力作用下的轴向生长最终在达到平衡状态时停止。然后，我们应用该模型研究了球形胶原组织膜在响应内部压力扰动时的应力和应变稳态的发展。模型表明，压力的增加使膜的组织半径和厚度增加，从而使应力响应能够恢复到压力扰动前的平衡膜应力。 Tissues composed of slender, or low-crimp collagen fibers also recovered the equilibrium mechanical stretch level before the perturbation. These results indicated that concurrent mechanics-stimulated collagen deposition and mechanics- inhibited degradation can produce stress homeostasis and for some fiber morphology strain homeostasis without prescribing a target stress or fiber strain.
Z. Jia, T. D. Nguyen, A micromechanical model for collagenous tissues under mechano-mediated collagen deposition and degradation, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 98, 96-107 (2019)
金属材料的可拉伸性往往受到颈缩不稳定性的发生和发展的限制。例如，锂金属颈缩经常发生在低应变下，从而阻碍了其在可拉伸锂电池中的实际应用。基板/金属双分子层是一种很有前途的解决方案，可以满足柔性和可拉伸电池中对金属电极和集流器严格的可拉伸性要求。到目前为止，对任意双轴平面内拉伸载荷下基材支撑金属层的分岔不稳定性的全面理解仍然是难以捉摸的。现有的关于基板支撑金属层分岔不稳定性的理论和数值研究大多假设了平面应变条件或单颈颈模式(即出现单一扩散颈)。然而，在进行的实验中，衬底/金属双层受到单轴拉伸载荷，并且在测试期间观察到多个颈部的形成。这项工作提出了一种全波长分岔分析，以了解基材/金属双层在任意双轴拉伸载荷下的变形不稳定性，从等双轴拉伸到平面应变拉伸，再到单轴拉伸。研究了两种具有代表性的双层结构，即由塑料衬底支撑的金属层和由弹性体衬底支撑的金属层。分析预测了基板/金属双层的三种分岔模式，包括单颈模式、多颈模式和表面模式。结果定量地证明了支撑基板的分岔延迟效应:基板越硬/厚，分岔极限越高。 More importantly, it is further shown that there exists a theoretical upper bound of the bifurcation limit of a substrate/metal bilayer structure, which has not been reported before. Understandings from the present study may shed light on the optimal design of substrate/metal bilayer structures with enhanced deformability under complex biaxial loading conditions.
Zheng Jia, Teng Li, Bifurcation instability in substrate-supported metal layers under biaxial tensile loading, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 126, 52–75 (2019)
尼莫生活在大堡礁附近的海洋中。一天，他买了一个水凝胶气球，这个气球是由内部压力充气的。这个气球最终会破裂还是会安全呢?
在给橡胶气球充气时，通常得出的结论是，一旦内部压力达到临界阈值，即瞬时爆裂压力，气球尺寸就会突然膨胀(即爆裂)。这种突发现象通常归因于突发性不稳定性。在这项工作中，我们证明了当一个水凝胶气球(就像尼莫的那个)受到低于瞬时破裂压力的亚临界压力时，水凝胶气球可能会在一段时间内保持稳定，然后突然破裂。我们把这种破裂现象称为凝胶球的延迟破裂。当受到这样的亚临界内压时，水凝胶球囊缓慢而持续地吸收溶剂并膨胀。我们发现水凝胶球囊的瞬时破裂压力是膨胀比的递减函数。爆震发生的判据是与膨胀相关的瞬时爆震压力降至施加的内压。 The delayed burst can, therefore, be attributed to the time needed for the hydrogel swelling to reduce the instantaneous burst pressure to the level of applied pressure. We further delineate a map indicating three distinct deformation modes of gel balloons, i.e. instantaneous burst, delayed burst, and steady deformation without burst (safe mode), in the parameter space of applied pressure and mechanical properties of the hydrogel. The delayed burst of a hydrogel balloon is counterintuitive and a crucial aspect in developing hydrogel-shell-based soft actuators and soft machines. Jian Cheng, Zheng Jia#, Hongyu Guo, Zhihong Nie, Teng Li#, Delayed burst of a gel balloon, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 124, 143-158, (2019)
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| Delayed Burst of a Gel Balloon.pdf | 2.77 MB |
郑佳，刘永金，纳米结构硅阳极锂化过程中速率相关的应力演化，应用物理学报，2009，163903 (2016) (DOI:http://dx.doi.org/10.1063/1.4964515)
锂离子电池硅基阳极的应力和断裂的发展受到锂化诱导塑性的强烈影响。最近的实验表明，锂化硅的塑性性质是速率相关的。我们建立了一个理论模型来捕捉硅阳极在两相锂化过程中的粘塑性力学行为。结果表明，锂化诱发的应力场由Li-Li3.75 Si界面的迁移速度和Si阳极的特征尺寸决定。如果有实验测量的Si纳米颗粒界面速度数据，该机制模型可以直接预测速率敏感的时空应力分布，这在实验中很难测量到。
确认邀请演讲嘉宾:< p>Sheldon Brian (Brown University)
Sulin Zhang (Penn State University)
TingZhu (Georgia Institute of Technology)Matt Pharr (UIUC)
Shuman Xia (Georgia Institute of Technology)
Vivek Shenoy (University of Pennsylvania)
Wayne Chen (Purdue University)
Yue Qi (Michigan State University)
Yuefei Zhang (Beijing University of Technology)
Shengping Shen (Xi'an Jiaotong University)
We are pleased to release the above confirmed invited speakers in symposium E-1: symposium on Mechanics and Electrochemistry of Energy Materials at the SES 2016 to be held at University of Maryland College Park (October 2-5, 2016). Please consider joining us to attend our symposium to enjoy their invited presentations and present your own research as well. The deadline for abstract submission is 15 June 2016. Please submit your abstract(s) here. Should you have any questions, please feel free to contact the symposium organizers. We look forward to your submissions.
Symposium Organizers:
Prof. Siva Nadimpalli, New Jersey Institute of Technology
Email: siva.p.nadimpalli@njit.edu
Prof. Yifei Mo, University of Maryland-College Park
Email: yfmo@umd.edu
Prof. Kejie Zhao, Purdue University
Email: kjzhao@purdue.edu
Dr. Zheng Jia, Northwestern University
Email: zheng.jia@northwestern.edu
郑佳，李婷，非晶硅两步电化学锂化过程中弹性软化的本征应力消减，固体力学与物理学报，， 91, 278-290，(2016) (DOI:10.1016/j.j mpps .2016.03.014)
最近的实验和第一原理计算显示了非晶硅(a- si)的两步锂化。在第一步中，锂化通过在原始的a- si相和中间的LiηSi相之间的尖锐相边界的移动进行，直到a- si相完全消耗。然后在没有可见界面的情况下进入第二步，LiηSi相连续锂化为Li3.75Si相。这种独特的锂化特性被认为对锂离子电池中a-Si阳极的机械耐久性具有重要影响，然而，迄今为止对这种影响的机理理解仍然难以捉摸。在这里，我们通过化学-力学建模揭示了由于a-Si两步锂化过程中的弹性软化而产生的内在应力缓解机制。我们发现锂化引起的a-Si弹性软化导致了锂化第二阶段的有效应力缓解。这些机理发现首次定量预测了a-Si阳极的临界尺寸，在该尺寸以下，阳极不会受到锂化引起的断裂的影响，这与实验观察结果很好地吻合。对锂化动力学的进一步研究表明，两步锂化也导致了较低的应力诱导锂化能垒。 The present study reveals the physical underpinnings of previously unexplained favorable lithiation kinetics and fracture behavior of a-Si anodes, and thus sheds light on quantitative design guidelines toward high-performance anodes for lithium ion batteries.
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| Intrinsic stress mitigation via elastic softening during two-step.pdf | 1.19 MB |
随着先进能源系统的发展，以满足世界不断增长的人口的全球能源需求，力学已成为影响能源材料性能的关键因素之一。本次研讨会旨在回顾先进能源材料力学的现状，并阐述其突出的研究需求和重大挑战。具体感兴趣的主题包括:但不限于:
•锂离子电池和固态燃料电池中的材料力学
•纳米电容器力学
•储氢材料力学
•太阳能转换中的力学问题
•可再生能源材料的可靠性和疲劳
•能源设备中的失效机制
•探测机械的先进表征技术先进能源材料力学的多尺度建模、仿真和理论
• •热电材料的设计、分析、均质化和优化
•机械振动的能量收集
••机械振动的能量收集
我们诚挚邀请您于2016年6月15日在研讨会E-1上提交您的摘要，并进行口头报告。能源材料力学与电化学。摘要提交目前开放。 Please submit your abstract(s) here. Should you have any questions, please feel free to contact the symposium organizers. We look forward to receiving your submissions and seeing you at College Park!
Symposium Organizers:
Siva Nadimpalli, Assistant Professor, New Jersey Institute of Technology
Email: siva.p.nadimpalli@njit.edu
Yifei Mo, Assistant Professor, University of Maryland-College Park
Email: yfmo@umd.edu
Kejie Zhao, Assistant Professor, Purdue University
Email: kjzhao@purdue.edu
Zheng Jia, Postdoc Associate, Northwestern University
Email: zheng.jia@northwestern.edu
郑佳，李婷，循环充放电条件下衬底上起褶皱薄膜阳极的失效机理极限力学信函，已接受，2016 (DOI: DOI: 10.1016/ j.m eml.2016.03.006
)最近的实验表明，薄膜阳极在柔性衬垫上可以显著减轻锂离子和钠离子电池的机械退化和容量衰退服务。这种衬底支撑的薄膜阳极循环性能的增强是由于起皱引起的应力松弛。虽然实验证据是有启发意义的，但对于衬底支撑的薄膜阳极的起皱及其对阳极循环性能的影响还缺乏系统的机理研究。本文采用理论分析和有限元模拟的方法，对衬底支撑的薄膜阳极的充放电诱导的起皱形成和随后的形态演变进行了全面的研究。我们发现颈缩带可能在起皱谷或峰附近形成，并进一步发展导致阳极在充放电循环中破碎，这是一种现有文献未报道的失效模式。在衬底支撑的阳极支撑薄膜中，起皱相关颈带的密度和分布可以通过衬底刚度来调节。
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我们全面研究了锂化诱导应力场及其对空心硅纳米线阳极锂化反应驱动力的贡献。我们发现空心硅纳米阳极可以完全锂化，比固体硅纳米阳极具有更低的应力诱导能垒。因此，中空纳米线和纳米颗粒有望成为高性能锂离子电池阳极的最佳结构设计。本研究的结果揭示了近年来文献中关于硅基阳极锂化动力学的一些悬而未决的问题，并为开发高充电容量和高充电速率的硅基阳极提供了新的思路。
郑佳，李腾空心纳米阳极锂化反应的应力调节驱动力， 电源学报，(2015)，卷275,2015年2月1日第866-876页
我们提出了一种新的策略，通过调节机械性能的面内和面外不匹配来实现混合水凝胶片的可编程形状变换。我们的实验和计算结果都表明，混合水凝胶片的形状变换具有丰富的特征(如滚动方向、轴向、手性等)和多种可调性(如通过各种外部刺激、材料特性、图案几何等)。这项工作可以为设计能够进行更精确和复杂形状转换的软质材料提供指导。
魏增江，贾铮，Jasmin Athas，王朝阳，Srinivasa Raghavan，李腾*，聂志宏*。< a href = " http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/sm/c4sm01299b !， Soft Matters， (2014) Advance article， DOI:10.1039/C4SM01299B
颈缩失稳往往预示着延性破坏的开始。结果表明，与单一独立金属层相比，基底支撑金属层颈缩失稳可以延迟到更高的应变。现有的基体支撑金属层颈缩极限理论研究大多假设了平面应变条件。然而，最常见的金属/基板双层实验是单轴拉伸试验。迄今为止，基底支撑金属层在任意组合双轴面内加载条件下的颈缩失稳仍然知之甚少。本文全面研究了金属/衬底双层在全范围的双轴加载比上的缩颈极限，从等双轴加载为1，到平面应变加载为0，和单轴加载为-1/2。考虑了两种具有代表性的材料组合，即由刚性塑料基板支撑的金属层和由柔性弹性体基板支撑的金属层。结果表明临界颈缩极限应变和颈缩带取向与材料性能和基材-金属双分子层厚度比均有定量关系。特别是在负比面内加载(如单轴张力)时，预测的颈曲带取向与实验观察到的颈曲带倾斜一致，这是现有理论研究在平面应变条件下无法解释的现象。 The present study further shows that necking retardation in an elastomer-supported metal layer can allow the bilayer to absorb and dissipate more energy than an all-metal single layer with the same mass. These understandings shed light on optimal design of substrate- supported metal structures with enhanced deformability and energy absorbing capacity under complex in-plane loading conditions.
International Journal of Plasticity. Volume 51, December 2013, Page 65-79
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