当前，广泛采用万能试验机对水凝胶试样(通常为柱状)进行力学性能测试，例如弹性模量，屈服强度和循环疲劳性能（能量耗散）等参数。该标准化测试方法存在试样形态的脱节和变形过程原位观测的缺失。另一方面，绝大多数水凝胶的力学响应和摩擦学性能的研究，无法实时观测水凝胶在加载和运动过程中的真实应变分布和表面形貌演变及润滑情况，仅能获取摩擦磨损单一力学指标，缺乏表面变形与界面润滑状态同步分析。这制约了对水凝胶的摩擦和润滑机制的深入研究。当前，广泛采用万能试验机对水凝胶试样(通常为柱状)进行力学性能测试，例如弹性模量，屈服强度和循环疲劳性能（能量耗散）等参数。该标准化测试方法存在试样形态的脱节和变形过程原位观测的缺失。另一方面，绝大多数水凝胶的力学响应和摩擦学性能的研究，无法实时观测水凝胶在加载和运动过程中的真实应变分布和表面形貌演变及润滑情况，仅能获取摩擦磨损单一力学指标，缺乏表面变形与界面润滑状态同步分析。这制约了对水凝胶的摩擦和润滑机制的深入研究。当前，广泛采用万能试验机对水凝胶试样(通常为柱状)进行力学性能测试，例如弹性模量，屈服强度和循环疲劳性能（能量耗散）等参数。该标准化测试方法存在试样形态的脱节和变形过程原位观测的缺失。另一方面，绝大多数水凝胶的力学响应和摩擦学性能的研究，无法实时观测水凝胶在加载和运动过程中的真实应变分布和表面形貌演变及润滑情况，仅能获取摩擦磨损单一力学指标，缺乏表面变形与界面润滑状态同步分析。这制约了对水凝胶的摩擦和润滑机制的深入研究。当前，广泛采用万能试验机对水凝胶试样(通常为柱状)进行力学性能测试，例如弹性模量，屈服强度和循环疲劳性能（能量耗散）等参数。该标准化测试方法存在试样形态的脱节和变形过程原位观测的缺失。另一方面，绝大多数水凝胶的力学响应和摩擦学性能的研究，无法实时观测水凝胶在加载和运动过程中的真实应变分布和表面形貌演变及润滑情况，仅能获取摩擦磨损单一力学指标，缺乏表面变形与界面润滑状态同步分析。这制约了对水凝胶的摩擦和润滑机制的深入研究。
针对以上问题，本文以甲基丙烯酰化明胶(以下简称GelMA水凝胶)为研究对象，利用课题组自主研发的球-盘式原位光学摩擦试验机，构建了以陶瓷球和表面涂敷水凝胶涂层的K9玻璃盘组成的摩擦副。通过加载机构分别对陶瓷球施加静态和动态压缩载荷，利用搭载高速相机的双色光干涉系统测量水凝胶的表面变形，具体包括真实接触面积、压痕深度与表面轮廓线，用以研究水凝胶的力学响应；根据力传感器记录的载荷和基于原位光学测量的表面变形参数，获得应力-应变曲线，用以评价水凝胶的力学性能和疲劳性能；往复滑动工况下，测量摩擦力的同时，利用荧光成像系统原位观测润滑剂的分布情况，通过关联摩擦力、表面变形和润滑状态来研究水凝胶的摩擦学性能。得出的主要结论如下：
1. 用可视化的方法展现了GelMA水凝胶的蠕变-稳态-弹性恢复三阶段动态行为，印证其典型粘弹性特征；
2. 万能力学试验机测得的GelMA水凝胶宏观压缩弹性模量(8.346 kPa)与原位光学法所得表观模量(22.194 kPa)存在显著差异(约166%)，前者反映了圆柱状试样的整体体积响应，材料在无侧向约束条件下发生自由泊松膨胀，所获模量表征了本体力学性能。后者表征了薄膜在刚性基底约束下的表观刚度，导致表观弹性模量显著提升，更贴近实际服役中水凝胶涂层与刚性基底的界面力学状态。后者表征了薄膜在刚性基底约束下的表观刚度，导致表观弹性模量显著提升，更贴近实际服役中水凝胶涂层与刚性基底的界面力学状态。
3. 利用原位光学检测法研究了水凝胶的能量耗散和疲劳特性，发现与应变量、加载速率和润滑剂中的大分子密切相关，为水凝胶在复杂服役工况下的力学行为评价提供了原位可视化表征手段。
4. 往复滑动工况下，行程长度是主导界面润滑状态的首要因素。当往复行程为±5.5°(小于接触直径2a)时，润滑剂难以进入接触区，表面变形显著，摩擦系数维持在较高水平；当行程扩大至±22°(大于接触直径2)时，润滑剂补充效率提高，表面变形减小，摩擦系数明显降低。
 

水凝胶；原位光学观测；表面变形；