饱和含液多孔弹性材料是由固体韧带的连接网络组成的，具有开放的孔隙，常见于地质、生物和工程材料中。表面效应会在宏观尺度上显着影响这种多孔材料的力学性能，特别是当固体韧带和孔在微米或纳米尺度时 。在本研究中，为了将孔隙的几何参数和表面效应与等效的多孔弹性特性以及控制多孔弹性变形的本构方程明确联系起来，我们将先前研究（Chen等人，2021）提出的自上而下的均质化方法与自下而上的微观力学方法相结合。受开孔泡沫的Gibson-Ashby立方细胞模型和通常在饱和含液多孔材料中发现的细胞网络的启发，我们提出了一种长方体开孔模型，其中考虑了表面效应和流体可压缩性。对于两种极限情况，即未排水状态和排水状态，我们证明了表面模量和残余表面应力（即表面张力）都阻碍了固体韧带的变形，从而增强了多孔材料的等效杨氏模量。此外，我们揭示了两个表面效应参数（即残余表面应力与表面模量）对等效模量表现出耦合效应：当一个参数足够大时，另一个参数的变化会显着影响等效模量。作为该模型的应用，我们表征了多孔材料在典型载荷（例如，单轴和非比例多轴张力）下，在未排水和排水状态下的力学行为。此外，我们还首次描述了可压缩液体夹杂物（例如，细胞）的应力集中，其将表面张力考虑到了具有表面效应的饱和含液多孔材料中。本研究结果有助于理解和研究表面效应如何影响具有微纳尺度孔隙的饱和开孔含液多孔材料的多孔弹性等效参数。
图1.示意图（a） 开孔饱和含液多孔材料的胞元模型（b） 具有表面效应的铁木辛哥梁模型
近日，该成果以“A cuboidal open cell model for constitutive modeling of surface effects in fluid-saturated porous materials”为题发表在Journal of the Mechanics and Physics of Solids上。文章的第一作者为卢天健教授博士生提飞，卢天健教授、陈昕副研究员为共同通讯作者。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105246
