Tasa de liberación de energía en las grietas de hidrogeles sometidos a deformaciones finitas

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Mecánica de los sólidos
• Biomecánica

Sus antecedentes:

• La ruptura de hidrogel y elastómero implica grandes deformaciones y se estudia ampliamente para la dureza de la fractura.
• Los modelos analíticos anteriores a menudo descuidan los efectos de espesor y se centran en formulaciones de tensión plana.
• La influencia del flujo de líquido en el comportamiento de la fractura requiere una mayor investigación en escenarios tridimensionales.

Objetivo del estudio:

• Analizar el comportamiento de fractura de hidrogeles y elastómeros en tres dimensiones, teniendo en cuenta las condiciones de límite permeables e impermeables.
• Para investigar el estrés transitorio, la tensión y los campos de potencial químico cerca de las puntas de las grietas.
• Calcular la tasa de liberación de energía utilizando una integral poroelástica y explorar su dependencia del flujo de líquido y las tasas de carga.

Principales métodos:

• Resolución de problemas de valor inicial límite para muestras agrietadas en plano y tres dimensiones.
• Utilizando una integral poroelástica independiente de la trayectoria (J*) para calcular la velocidad de liberación de energía.
• Aplicación de criterios de crecimiento de grietas basados en el estiramiento crítico para predecir la tasa de liberación de energía en función de la fracción de volumen sólido.

Principales resultados:

• Los campos transitorios cerca de las puntas de las grietas difieren de las soluciones asintóticas de los modelos de poroelasticidad lineal y de gran deformación plana.
• La dirección del flujo de líquido (en el plano vs. fuera del plano) depende de la permeabilidad límite, que influye en la liberación de energía.
• Las tasas de carga más altas y los límites impermeables aumentan la tasa de liberación de energía debido a las contribuciones de flujo de líquidos.
• Se descubrió una dependencia no monótona de la liberación de energía en la fracción de volumen sólido.

Conclusiones:

• El flujo de líquido es un factor crítico en la fractura de hidrogel y elastómero, que afecta las tasas de liberación de energía.
• Los modelos poroelásticos desarrollados proporcionan una comprensión más completa de la propagación de grietas en estos materiales.
• Los hallazgos son aplicables a diversos problemas, incluida la ruptura de tejidos blandos y geles fibrosos.