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  液晶彈性體（LCEs）由棒狀液晶（LC）分子(介晶體）通過(guò)彈性體聚合物網(wǎng)絡(luò)連接而成。它們?cè)谑覝叵鲁尸F(xiàn)具有方向性有序介晶體 (mesogens) 的向列相，而在高溫下呈現(xiàn)無(wú)序的各向同性相，從而實(shí)現(xiàn)顯著的熱誘導(dǎo)形變。因此，LCEs 成為軟體機(jī)器人和形狀變形等新興應(yīng)用的有力候選材料。近年來(lái)，LCEs 的實(shí)驗(yàn)和理論研究得到了廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)代 LCEs 的合成、加工與熱機(jī)械行為之間的基本關(guān)系仍然很大程度上不清楚。這一知識(shí)空白因不同類型的 LCE（如多域、單域、向列起源和各向同性起源）而進(jìn)一步復(fù)雜化，每種類型在不同的實(shí)驗(yàn)條件和應(yīng)用中被制造和使用。

  近日，美國(guó)東北大學(xué)白若冰教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合廣泛使用的兩步法制備、機(jī)械表征和理論建模，探索了各種液晶彈性體（LCEs）在熱力學(xué)中的合成-加工-性能關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了一種新的關(guān)系，涉及軟彈性、熱誘導(dǎo)自發(fā)形變以及聚合過(guò)程中預(yù)拉伸之間的聯(lián)系�；诮�(jīng)典理論和作者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開(kāi)發(fā)了一種本構(gòu)模型來(lái)描述各個(gè)類型 LCE在不同溫度環(huán)境下的單軸拉伸性能表現(xiàn)。該文章總結(jié)了各向同性起源、向列起源、多域和單域 LCE 的詳細(xì)特性，表征了 LCE 的熱誘導(dǎo)自發(fā)形變以及其溫度依賴的單軸應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。該理論預(yù)測(cè)與不同溫度下單軸應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致。

各向同性起源和向列起源 LCE

軟彈性和熱誘導(dǎo)自發(fā)形變

圖 4. 不同預(yù)拉伸比 λ_pre的向列起源 LCE 的熱誘導(dǎo)自發(fā)形變。(a) 無(wú)應(yīng)力單軸拉伸比隨溫度變化的曲線。在高溫下，每條曲線達(dá)到一個(gè)恒定的殘余拉伸比，記為 λ_r 。 (b) 高溫殘余拉伸比 λ_r  隨預(yù)拉伸比λ_pre 的變化關(guān)系。

溫度依賴的單軸應(yīng)力-拉伸響應(yīng)

  本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論，研究了不同 LCE 單軸熱力學(xué)行為中的合成-加工-性能關(guān)系。通過(guò)兩步法，制備了各向同性起源的多域 LCE 和具有不同預(yù)拉伸比的向列起源 LCE。在高溫下，向列起源 LCE 在小的預(yù)拉伸下完全收縮至其各向同性起源的參考長(zhǎng)度，但在較大的預(yù)拉伸下仍保持有限的殘余拉伸。這里將這一非單調(diào)行為與相應(yīng)的各向同性起源多域 LCE 中觀察到的軟彈性聯(lián)系起來(lái)。進(jìn)一步地，作者開(kāi)發(fā)了一種本構(gòu)模型，描述了所有所研究 LCE 在合成-加工依賴下的單軸熱力學(xué)行為。理論預(yù)測(cè)與各類型樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致。作者希望本研究能夠?yàn)榻Y(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論來(lái)理解 LCE 的熱力學(xué)行為提供統(tǒng)一的方法，并為未來(lái)基于 LCE 的軟體機(jī)器人和形狀變形應(yīng)用提供指導(dǎo)。

  論文信息與鏈接

  Wei, Z., Bootwala, U. H., & Bai, R. (2024). Synthesis-Processing-Property Relationships in Thermomechanics of Liquid Crystal Elastomers.Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 105977.

  DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105977