[論文レビュー] Synergistic Energy Absorption Mechanisms of Architected Liquid Crystal Elastomers

Seung‐Yeol Jeon, Beijun Shen+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2021

Advanced Materials and Mechanics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、架設された液晶エラスマー（LCE）が、粘弾性と幾何学的要因による非一様な座屈が相乗的に作用することで、エネルギー吸収を実現することを示している。600 s⁻¹のひずみ速度下で、LCEのユニットセルは5 MJ/m³のエネルギー吸収に達しており、これはPDMSよりも2桁以上高く、密度の高い金属と同等である。これにより、軽量で極めて高いエネルギー吸収性能を示す材料の実現が可能になる。

ABSTRACT

Here, we report the rate-dependent energy absorption behavior of a liquid crystal elastomer (LCE)-based architected material consisting of repeating unit cells of bistable tilted LCE beams sandwiched between stiff supports. Viscoelastic behaviors of the LCE material cause the energy absorption to increase with strain rate according to a power-law relationship, which can be modulated by changing the degree of mesogens alignment during synthesis. For a strain rate of 600 s-1, the unit cell structure shows up to a 5 MJ/m3 energy absorption density, which is two orders of magnitude higher than the same structure fabricated from Polydimethylsiloxane (PDMS), and is comparable to the dissipation from irreversible plastic deformation exhibited by denser metals. For a stacked structure of unit cells, viscoelasticity also produces nonuniform buckling of the LCE beams, causing the energy absorption density to increase with the stacking number n up to n=3. Varying the beam geometry further promotes the nonuniform buckling behavior allowing the energy absorption density to increase with stacking number without bounds. We envision that our study can lead to the development of lightweight extreme energy-absorbing materials.

研究の動機と目的

• 架設された液晶エラスマー（LCE）を用いて、軽量で高性能なエネルギー吸収材料を開発すること。
• 動的荷重下におけるLCE構造のひずみ速度依存的エネルギー吸収メカニズムを理解すること。
• 粘弾性と幾何学的設計がエネルギー散逸をどのように相乗的に向上させるかを明らかにすること。
• 積層数に応じてエネルギー吸収が無限に拡大可能となる構造的パラメータを同定すること。

提案手法

• 制御された座屈を可能にするために、剛性支持体の間に二安定性を有する傾斜付きLCEビームを配置したユニットセル構造を設計すること。
• 合成過程におけるメソゲン配列の制御により、粘弾性応答とひずみ速度依存的エネルギー吸収を調整すること。
• LCE材料のひずみ速度依存的エネルギー吸収挙動をモデル化するための累乗則を用いること。
• 構造の階層性がエネルギー吸収および座屈の非一様性に与える影響を調査するために、複数のユニットセルを積層すること。
• 非一様な座屈を促進させ、積層構成でのエネルギー吸収を向上させるために、ビームの幾何形状を変更すること。
• 機械的効率をベンチマークするため、エネルギー吸収性能をPDMSおよび密度の高い金属と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LCEにおける粘弾性は、架設構造におけるひずみ速度依存的エネルギー吸収にどのように寄与するか？
• RQ2 高ひずみ速度下におけるLCEベースのユニットセルで達成可能な最大のエネルギー吸収密度は何か？
• RQ3 複数のユニットセルを積層することで、エネルギー吸収および座屈挙動にどのような影響が生じるか？
• RQ4 LCEビームの幾何学的チューニングにより、積層数に比例してエネルギー吸収が無限に拡大可能となるか？
• RQ5 LCEのエネルギー吸収性能は、PDMSおよび密度の高い金属と比べてどのように異なるか？

主な発見

• 600 s⁻¹のひずみ速度下で、LCEユニットセルは5 MJ/m³のエネルギー吸収密度に達しており、これはPDMSよりも2桁以上高い。
• エネルギー吸収はひずみ速度に従って累乗則に従って増加し、合成過程でのメソゲン配列の制御により調整可能である。
• 最大3個のユニットセルを積層することで、LCEビームの粘弾性誘発非一様座屈によりエネルギー吸収が向上する。
• ビームの幾何形状を変更することで、非一様座屈がさらに促進され、積層数の増加に伴いエネルギー吸収が無限に増大可能となる。
• LCE構造のエネルギー吸収性能は、塑性変形を伴う密度の高い金属と同等である。
• 粘弾性と幾何学的設計の相乗的相互作用により、軽量材料における前例のないエネルギー散逸性能が実現された。