[논문 리뷰] Soft-Elasticity Optimises Dissipation in 3D-Printed Liquid Crystal Elastomers

Devesh Mistry, Nicholas A. Traugutt외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 03.

Advanced Materials and Mechanics참고 문헌 36인용 수 136

한 줄 요약

이 연구는 3D 프린팅된 단일정렬 액정 엘라스터머(LCE)가 압축 시 연성 탄성 성질을 나타내며, 준정적 속도에서 최대 45%의 변형 에너지 소산을 가능하게 하며, 이는 등방성 엘라스터머(≤20%)보다 뛰어나고, 3000 s⁻¹ 이하의 변형률 속도까지 거의 이상적인 충격 흡수 거동을 유지함을 보여준다. 이 작업은 직접 잉크 조형(DIW) 기술을 활용해 기계적 이방성과 낙폭 거동을 제어할 수 있도록 가변적인 도메인 정렬을 가진 부피형 단일정렬 LCE를 제작하며, 낙하 시험 결과 등방성 엘라스터머 대비 40% 낮은 Gadd 심각도 지수(GSI)를 확인하였다.

ABSTRACT

Soft-elasticity in monodomain liquid crystal elastomers (LCEs) is promising for impact-absorbing applications where strain energy is ideally absorbed at constant stress. Conventionally, compressive and impact studies on LCEs have not been performed given the notorious difficulty synthesizing sufficiently large monodomain devices. Here we demonstrate 3D printing bulk ($>cm^3$) monodomain LCE devices using direct ink writing and study their compressive soft-elasticity over 8 decades of strain rate. At quasi-static rates, the monodomain soft-elastic LCE dissipated 45% of strain energy while comparator materials dissipated less than 20%. At strain rates up to $3000~s^{-1}$, our soft-elastic monodomain LCE consistently performed closest to an ideal-impact absorber. Drop testing reveals soft-elasticity as a likely mechanism for effectively reducing the severity of impacts -- with soft elastic LCEs offering a Gadd Severity Index 40% lower than a comparable isotropic elastomer. Lastly, we demonstrate tailoring deformation and buckling behavior in monodomain LCEs via the printed director orientation.

연구 동기 및 목표

• 충격 흡수 용도로 사용하기 위한 부피형 단일정렬 LCE를 제작하는 데 오랫동안 지속된 과제를 해결하기 위해.
• 8개 온도대의 변형률 속도 범위에서 단일정렬 LCE의 압축 연성 탄성 거동을 조사하기 위해.
• 다양한 단일정렬, 다중정렬 및 등방성 엘라스터머와의 에너지 소산 성능을 평가하기 위해.
• 3D 프린팅된 LCE에서 프로그래밍된 도메인 정렬을 통해 변형 및 낙폭 거동을 제어할 수 있음을 보여주기 위해.
• 낙하 시험과 Gadd 심각도 지수(GSI) 분석을 통해 연성 탄성 LCE의 충격 흡수 잠재력을 검증하기 위해.

제안 방법

• 직접 잉크 조형(DIW) 3D 프린팅을 사용하여 프린트 헤드 궤적을 통해 도메인 정렬 방향을 제어한 부피형 단일정렬 LCE(>cm³)를 제작하였다.
• 변형률 속도 범위가 10⁻⁴에서 3000 s⁻¹인 준정적 및 고속 변형률 압축 시험을 실시하여 에너지 소산 및 연성 탄성 거동을 평가하였다.
• 노말라이제이션된 변형률 속도 800, 1600, 3000 s⁻¹에서 동적 기계적 거동을 측정하기 위해 Kolsky 바 시험을 시행하였으며, 일정한 변형률 속도를 확보하기 위해 펄스 형상 조절을 적용하였다.
• 압축 시의 하중-해제 히스테리시스 루프에서 변형 에너지 밀도 및 소산된 에너지 비율을 계산하였다.
• 0.25–1.00 m 높이에서 2 kg 질량을 낙하시키는 커스터마이즈드 프레임을 사용한 낙하 시험을 실시하여 충격 반응을 측정하고 Gadd 심각도 지수(GSI)를 계산하였다.
• 교차 투과성 현미경 및 기계적 이방성 시험을 통해 인쇄된 LCE에서 한 방향으로의 정렬과 방향성 기계적 거동을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 프린팅된 단일정렬 LCE는 압축 시 연성 탄성 성질을 나타내어 고도의 에너지 소산을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 준정적 및 고속 변형률 조건에서 단일정렬 LCE의 에너지 소산 성능은 다중정렬 및 등방성 엘라스터머와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 3D 프린팅된 LCE의 도메인 정렬 방향을 제어하여 축압 하에서 낙폭 및 변형 거동을 조절할 수 있는가?
• RQ4 단일정렬 LCE의 연성 탄성 성질은 일정한 응력 플랫폼을 정의한 이상적인 충격 흡수 거동에 얼마나 가까이 도달하는가?
• RQ5 Gadd 심각도 지수(GSI)로 정량화된 실생활 조건에서 단일정렬 LCE의 충격 흡수 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 준정적 변형률 속도(10⁻⁴ s⁻¹)에서 단일정렬 LCE는 변형 에너지의 45%를 소산하였으며, 이는 20% 미만으로 소산하는 비교 재료들보다 뚜렷이 뛰어났다.
• 3000 s⁻¹ 이하의 변형률 속도까지 단일정렬 LCE는 압축 중 거의 일정한 응력 플랫폼을 유지하며 이상적인 충격 흡수 거동과 가장 유사한 기계적 거동을 보였다.
• 낙하 시험 결과, 동일한 충격 조건에서 단일정렬 LCE는 등방성 엘라스터머 대비 Gadd 심각도 지수(GSI)를 40% 낮추었다.
• 고비율의 길이-두께 비율을 가진 LCE 샘플의 낙폭 거동은 프로그래밍된 도메인 정렬 방향을 통해 제어 가능했으며, 인쇄 방향에 따라 명확한 다른 변형 모드가 관찰되었다.
• 교차 투과성 현미경을 통해 인쇄된 층에서 매우 균일한 한 방향 정렬이 확인되었으며, 대비 비율은 뛰어난 액정 구조의 질을 시사하였다.
• 인쇄된 LCE의 기계적 이방성은 정량화되었으며, 도메인 정렬 방향으로 압축할 경우 연성 탄성 플랫폼이 나타났고, 인장 응답 대비는 감소했지만 여전히 측정 가능한 이방성 정도를 보였다.