رفتار هیدروژل‌های حساس به دما با در نظر گرفتن خواص تابعی هدفمند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی مکانیک-طراحی کاربردی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشگاه تهران-مهندسی مکانیک

چکیده

امروزه هیدروژل‌ها با خواص منحصر بفرد خود در پاسخ به تحریک‌های خارجی و تورم در اثر جذب سیال، توجه بسیاری از محققان را بخود جلب کرده‌اند. با توجه به میزان بالای افزایش حجم این مواد وقابل‌برگشت بودن این تورم، پیش‌بینی پاسخ مکانیکی این مواد از اهمیت بسزایی برخوردار است. هیدروژل‌های تابعی-هدفمند حساس بدما از مواد پرکاربرد درصنعت می‌باشند. جهت مطالعه رفتار مکانیکی این مواد حین تغییردما، یک تابع انرژی متشکل از دو بخش انرژی کشیدگی شبکه و انرژی ترکیب درنظر گرفته شده است. سپس با در نظر گرفتن تغییر مشخصات هیدروژل‌های تابعی-هدفمند حساس بدما درراستای ضخامت حل نیمه‌تحلیلی برای خمش این مواد درشرایط کرنش-صفحه‌ای ارائه گردیده است. برای بررسی صحت روش، نتایج حاصل با نتایج خروجی از روش اجزامحدود مقایسه شده است. برای حل مسائل مختلف به روش اجزامحدود نیاز به نوشتن زیربرنامه UHYPER این مواد هستیم. صحت این زیربرنامه با درنظر گرفتن مسئله تورم آزاد ارزیابی گردیده است. سپس شعاع، تنش شعاعی و مماسی در خمش تیر متشکل از هیدروژل‌های تابعی-هدفمند حساس به دما در هر دو روش مطالعه گردیده است. در نهایت نیز با توجه به اهمیت دو فاکتور میزان زاویه خمیدگی و انحنا در کاربردهای صنعتی، این دو فاکتور نیز با تغییردما درهمان بازه 320 تا 288 مورد بررسی قرار گرفته است، که بادقت در نتایج حاصله می‌توان توانایی این مواد در کاربردهایی هم‌چون سنسور و عملگر را مشاهده کرد. همچنین وجود پیوستگی در تنش‌های شعاعی و مماسی دلیلی برای استفاده بیشتر این مواد می‌باشد که این خواص را در سنسورهای چندلایه نمی‌توان مشاهده کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigating the behavior of temperature-responsive hydrogels by considering functionally graded properties

نویسندگان [English]

  • Mohammad Shojaeifard 1
  • Mostafa Baghani 2
1 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Iran
2 دانشگاه تهران-مهندسی مکانیک
چکیده [English]

Todays, hydrogels have attracted many researchers due to their unique properties in responding to exterior stimuli and swelling-induced by water absorption. According to their reversible swelling, it is important to predict their mechanical response. The functionally-graded temperature-sensitive hydrogel is one of the most applicable materials in industry. Thus, to study the mechanical behavior of these materials, an energy density function is introduced which includes network stretch energy and mixing part. Then, considering functionally-graded properties along the thickness, bending of FG temperature-sensitive hydrogels is solved analytically under plane-strain assumption. Verifying the presented analytical procedure, the results are compared with outcomes of finite-element-method. To solve diverse problems by finite-element-method, UHYPER subroutine has been written and verified in free-swelling problem. Next, the radius, radial stress and tangential stresses are studied by both methods for FG temperature-sensitive hydrogels. Finally, according to the importance of factors such as semi-angle and bending curvature in the industrial designs, these factors are investigated by changing the temperature in range of 320 to 288. Results demonstrate the capability of these material to be implemented in sensors and actuators. In addition, the continuity of stresses field is the other reason of utilizing FG hydrogels, while the multi-layer hydrogels do not have continuous stress fields.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Temperature sensitive hydrogels
  • Functionally graded materials
  • Semi-analytical solution
  • finite element modeling