软材料弹性-毛细弹性表面波的声弹理论与实验研究

目的软材料波动力学是生物医学成像、活性软材料操控和动态力学性质表征等应用的基础。因剪切模量低,软材料在毫米尺度展现出表/界面效应,显著影响表/界面波动特性。本项目系统研究了水凝胶软材料弹性-毛细弹性表面波。方法声弹理论分析、有限元仿真和光学相干弹性成像实验。结果随着频率增加,表面波的特性由弹性主导过渡为由毛细弹性主导。实验量化了固体弹性能与表面能相当时,表面波在过渡区的频散行为。特别地,超剪切表面波模式过渡为毛细波模式,其速度与频率呈幂律关系幂。考虑凝胶黏弹性,幂指数由毛细弹性和黏弹性共同决定。该模式与瑞利波模式共同高效表征材料的机械特性。结合声弹理论,进一步分析了应力偏场对表界面波的影响。结论水凝胶中表面波的传播受到弹性、表面张力、黏弹性等共同影响,导致表面波模式的转变。本研究为理解软材料高频表面动力学奠定了基础。