[논문 리뷰] Synergistic Energy Absorption Mechanisms of Architected Liquid Crystal Elastomers

Seung‐Yeol Jeon, Beijun Shen외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 14.

Advanced Materials and Mechanics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 구조적 액정 엘라스토머(LCE)가 점탄성과 기하학적으로 유도된 비균일한 붕괴를 통해 상호보완적인 에너지 흡수를 보임을 보여준다. 600 s⁻¹의 변형률 속도에서 LCE 단위세포는 5 MJ/m³의 에너지 흡수를 달성하며, 이는 PDMS보다 두 개의 주기 높고, 밀도가 높은 금속과 유사한 수준이다. 이는 경량의 초고에너지 흡수 재료를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 구조적 액정 엘라스토머(LCE)를 활용해 경량이며 고성능의 에너지 흡수 재료를 개발하기 위해.
• 동적 하중 하에서 LCE 기반 구조물의 비율 의존적 에너지 흡수 메커니즘을 이해하기 위해.
• 점탄성과 기하학적 설계가 상호보완적으로 에너지 소산을 향상시키는 방식을 탐구하기 위해.
• 스택 수에 따라 무한히 증가하는 에너지 흡수 스케일링을 가능하게 하는 구조적 매개변수를 규명하기 위해.

제안 방법

• 제어된 붕괴를 가능하게 하기 위해 두 개의 강성 지지대 사이에 이중 안정성 있는 기울인 LCE 보를 포함하는 단위세포 구조를 설계하기 위해.
• 합성 중 메소겐 정렬을 조절하여 점탄성 반응과 변형률 속도 의존적 에너지 흡수를 조절하기 위해.
• LCE 재료의 비율 의존적 에너지 흡수 거동을 모델링하기 위해 거듭제곱 법칙 관계를 사용하기 위해.
• 에너지 흡수와 붕괴의 비균일성에 대한 구조적 계층의 영향을 조사하기 위해 다수의 단위세포를 스택하기 위해.
• 비균일한 붕괴를 촉진하고 스택된 구성에서 에너지 흡수를 향상시키기 위해 보 형상을 다양화하기 위해.
• 기계적 효율성을 평가하기 위해 에너지 흡수 성능을 PDMS와 밀도가 높은 금속과 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LCE의 점탄성은 구조적으로 설계된 구조물에서 비율 의존적 에너지 흡수에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 고변형률 속도에서 LCE 기반 단위세포에서 달성 가능한 최대 에너지 흡수 밀도는 얼마인가?
• RQ3 여러 개의 단위세포를 스택함으로써 에너지 흡수와 붕괴 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LCE 보의 기하학적 최적화는 스택 수에 따라 무한한 에너지 흡수 스케일링을 가능하게 하는가?
• RQ5 LCE의 에너지 흡수 성능은 PDMS와 밀도가 높은 금속과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 600 s⁻¹의 변형률 속도에서 LCE 단위세포는 5 MJ/m³의 에너지 흡수 밀도를 달성하였으며, 이는 PDMS보다 두 개의 주기 높다.
• 에너지 흡수는 변형률 속도에 따라 거듭제곱 법칙 관계를 따르며, 합성 중 메소겐 정렬을 통해 조절 가능하다.
• 최대 3개의 단위세포를 스택함으로써 LCE 보의 점탄성 유도 비균일 붕괴로 인해 에너지 흡수가 향상된다.
• 보 형상을 다양화함으로써 비균일 붕괴가 더욱 촉진되며, 이로 인해 스택 수가 증가함에 따라 에너지 흡수가 무한히 증가할 수 있다.
• LCE 구조의 에너지 흡수 성능은 영구적 플라스틱 변형을 겪는 밀도가 높은 금속과 맞먹는다.
• 점탄성과 기하학적 설계의 상호보완적 상호작용은 경량 재료에서 예기치 못할 정도로 높은 에너지 소산을 가능하게 한다.