A micro-mechanically based modeling of double network hydrogels
Çift ağlı hidrojellerin mikromekanik temelli modellenmesi
- Tez No: 780685
- Danışmanlar: PROF. DR. MIKHAIL ITSKOV
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekanik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 149
Özet
Bu tez, deformasyon sırasında ve sonrasında çift ağlı hidrojellerin yapısal modellemesi ile ilgilenmektedir. Bu amaçla, tez (i) polimer zincirlerinin istatistiksel mekaniğini ve ideal zincir modellerini incelemekte, (ii) gerilme yumuşamasının tanımlanmasında hiper-elastik modele hasarın evrimini eklemekte, (iii) akma ve boyun verme kararsızlığını karakterize etmekte ve (iv) kendi kendini iyileştirme davranışını göstermektedir. Giriş bölümünde, tek bir zincirin entropik enerjisi ve entropik kuvveti Gauss ve Gauss olmayan istatistiklere dayalı olarak türetilmiştir. Tek boyutlu uzayda hiperelastik bir model oluşturulmuştur. Birim küre üzerinde entegrasyon yöntemi kullanılarak, bir hidrojel ağının bir boyutlu gerinim enerjisi üç boyuta aktarılmıştır. Gerilme yumuşaması fenomeninin yapısal modellemesinde, hasar evrimi kavramı tanıtılmıştır. Çift ağ hidrojel matrisi, polielektrolit ve nötr polimer ağlarına ayrılmıştır. Bir polimer ağında bir polimer zincirinin varlığı için bir olasılık yoğunluk fonksiyonu Gauss olasılığına dayalı olarak tanımlanır. Hasar, bir dizi mevcut zincirde“kalıcı zincir bağının çözülmesi”olarak tanımlanır. Çift ağlı hidrojellerde akma ve boyun vermeyi tanımlamak için bir başarısızlık kriteri tanımlanmıştır. Bir ağ tarafından belirli bir yönde geliştirilen kuvvet, tek bir zincirin entropik kuvvetine ve bir ağdaki aktif zincir sayısına göre hesaplanır. Çift ağ hidrojel matrisi üç bölüme ayrılır: kümeler, kümeler arasındaki zincirler ve nötr ağ. Başarısızlık kriteri bu parçalara uygulanır. Keskin gerilme azalması ve gerilme-gerilme eğrisinde bir plato temsil edilir. Yapısal modelin son unsuru, deformasyondan sonra çift ağlı hidrojellerin kendi kendine iyileşme davranışının tanımlanmasıdır. Söz konusu kendiliğinden iyileşme, kopan polimer zincirlerinin yeniden bağlanmasıyla ilgilidir. Yeniden bağlanma sürecinde iç kinetik enerji ve dış enerji kaynakları kullanılır. Bunu modellemek için, çift ağ hidrojel matrisi tersinir hidrojellere ayrılmıştır. ve tersinmez polimer ağları. Yeniden bağlanan polimer zincirlerinin sayısı Arrhenius denklemi ve ısı transferi denklemleri kullanılarak hesaplanır. Son olarak, yeniden yükleme, yeniden bağlanan zincirler dikkate alınarak açıklanmaktadır. Model az sayıda fiziksel olarak motive edilmiş malzeme parametresi içermektedir. Bu tez, her modelleme aşamasını çeşitli çift ağ hidrojellerine ilişkin deneysel verilerle doğrulamakta ve model ile deneysel veriler arasında yüksek düzeyde bir uyum sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
The present thesis deals with the constitutive modeling of double network hydrogels in –and after– the course of deformation. To this end, the thesis (i) studies the statistical mechanics of polymer chains and ideal chain models, (ii) introduces an evolution of the damage into the hyper-elastic model of the description of stress softening, (iii) characterizes yielding and necking instability and (iv) demonstrates self-healing behavior. In the introduction part, the entropic energy and entropic force of a single chain are derived based on Gaussian and non-Gaussian statistics. A hyperelastic model is constituted in one-dimensional space. Using the method of integration over the unit sphere, one-dimensional strain energy of a hydrogel network is transferred to three-dimensions. In the constitutive modeling of the stress softening phenomenon, the damage evolution concept is introduced. The double network hydrogel matrix is divided into polyelectrolyte and neutral polymer networks. A probability density function for the existence of a polymer chain in a polymer network is described based on Gaussian probability. The damage is defined as“permanent chain de-bonding”in a set of available chains. A failure criterion is defined to describe yielding and necking in double network hydrogels. The force developed by a network in a particular direction is calculated based on the entropic force of a single chain and the number of active chains in a network. The double network hydrogel matrix is decomposed into three parts: clusters, chains between clusters and the neutral network. The failure criterion is applied to these parts. Sharp stress reduction and a plateau in the stress–stretch curve are represented. The final element of the constitutive model is the description of the self healing behavior of double network hydrogels after deformation. Said self healing is related to the re-bonding of detached polymer chains. Internal kinetic energy and external energy sources are utilized in the re-bonding process. To model this, the double network hydrogel matrix is split into reversible and irreversible polymer networks. The number of re-bonded polymer chains is calculated using the Arrhenius equation and heat transfer equations. Lastly, reloading is described by taking re-bonded chains into account. The model contains a small number of physically motivated material parameters. This thesis validates each modeling stage with experimental data regarding various double network hydrogels and achieves a high level of agreement between the model and experimental data.
Benzer Tezler
- Computational design and fabrication of material-efficient multi-morphological structures
Malzeme-verimli çoklu-morfolojik yapıların hesaplamalı tasarımı ve üretimi
ALİM BATTAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEVİL YAZICI
- Design and fabrication of piezoelectric energy harvesting micro devices for biomedical implants
Biyomedikal implantlar için piezoelektrik enerji toplayıcı mikro cihazların tasarımı ve üretimi
AZİZ KOYUNCUOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
PROF. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT
- Hedefli kanser tedavisine yönelik kil katkılı nanopartikül üretimi ve modellenmesi
Production and modeling of clay additive nanoparticle for targeted cancer treatment
DENİZ KARATAŞ
Doktora
Türkçe
2017
Biyokimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiCevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SABRİ ÇELİK
DOÇ. DR. ADEM TEKİN
- Frequency-selective remote actuation via continuous beam spans
Sürekli kiriş dizileri yardımıyla frekans-seçici uzaktan tahrik
JABER SALAMAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN
- Effect of channel geometry on alternating droplet generation
Kanal geometrisinin değişmeli damlacık üretimine etkisi
MUHAMMAD SAQIB
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. EMİNE YEGAN ERDEM