[論文レビュー] Soft-Elasticity Optimises Dissipation in 3D-Printed Liquid Crystal Elastomers

Devesh Mistry, Nicholas A. Traugutt+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Advanced Materials and Mechanics参考文献 36被引用数 136

ひとこと要約

本研究では、3Dプロットされた単一配向性液晶エラストマー（LCE）が、準静的速度下で圧縮時にソフトエラスティシティを示し、最大45%のひずみエネルギーを吸収することを示した。これは、等方的エラストマー（≤20%）を著しく上回り、3000 s⁻¹までのひずみ速度でほぼ理想の衝撃吸収挙動を維持する。本研究は、直接インクライティング（DIW）を用いて、印刷方向に制御可能な配向性を有するボリューム単一配向性LCEを製造し、機械的異方性および座屈挙動の制御を可能にした。ドロップテストでは、等方的エラストマーと比較して40%低いGadd重症度指数（GSI）が確認された。

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.

研究の動機と目的

• 衝撃吸収用途に適したボリューム単一配向性LCEを製造するという長年の課題を克服すること。
• 8桁にわたるひずみ速度範囲で単一配向性LCEの圧縮によるソフトエラスティシティ挙動を調査すること。
• 単一配向性LCEのエネルギー吸収性能を、多配向性および等方的エラストマーと比較して評価すること。
• 3DプロットLCEにおける配向性のプログラム制御により、変形および座屈挙動を制御できることを示すこと。
• ドロップテストおよびGadd重症度指数（GSI）解析を用いて、ソフトエラスティックLCEの衝撃吸収可能性を検証すること。

提案手法

• 直接インクライティング（DIW）3Dプロットを用いて、印刷ヘッドの軌道を制御することで、配向性を制御したボリューム単一配向性LCE（>cm³）を製造した。
• 10⁻⁴〜3000 s⁻¹のひずみ速度範囲で準静的および高ひずみ速度圧縮試験を実施し、エネルギー吸収およびソフトエラスティシティ挙動を評価した。
• Kolskyバー試験を用いて、名目ひずみ速度800、1600、3000 s⁻¹での動的機械的応答を測定し、一定ひずみ速度を実現するためのパルス整形を実施した。
• 圧縮時の荷重-解放ヒステリシスループから、ひずみエネルギー密度およびエネルギー吸収率を計算した。
• 2 kgの質量を0.25〜1.00 mの高さから落下させるカスタムフレームを用いたドロップテストを実施し、衝撃応答を測定し、Gadd重症度指数（GSI）を算出した。
• 交差偏光顕微鏡および機械的異方性試験により、印刷LCEにおける一軸配向および方向依存機械的応答を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3Dプロットされた単一配向性LCEは、圧縮時にソフトエラスティシティを示し、高エネルギー吸収を実現できるか？
• RQ2 準静的および高ひずみ速度条件下で、単一配向性LCEのエネルギー吸収性能は、多配向性および等方的エラストマーと比較してどのように異なるか？
• RQ3 3DプロットLCEにおける配向性を制御することで、圧縮時の座屈および変形挙動を調整できるか？
• RQ4 単一配向性LCEのソフトエラスティシティは、一定応力プラットフォームとして定義される理想の衝撃吸収挙動にどの程度近づくか？
• RQ5 Gadd重症度指数（GSI）を用いて定量化した場合、単一配向性LCEは実世界の衝撃条件下でどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 準静的ひずみ速度（10⁻⁴ s⁻¹）下で、単一配向性LCEは45%のひずみエネルギーを吸収した。これは、20%未満しか吸収しない比較材料を著しく上回った。
• 3000 s⁻¹までのひずみ速度範囲で、単一配向性LCEは常に理想の衝撃吸収体に最も近い機械的挙動を示し、圧縮時にほぼ一定の応力プラットフォームを示した。
• ドロップテストの結果、同一衝撃条件下で、等方的エラストマーと比較して単一配向性LCEはGadd重症度指数（GSI）を40%低減した。
• 高径比LCE試料の座屈挙動は、プログラムされた配向性によって制御可能であり、印刷方向に応じて明確に異なる変形モードが観察された。
• 交差偏光顕微鏡により、印刷層における高い均一性を有する一軸配向が確認され、コントラスト比から優れた液晶秩序が示された。
• 印刷LCEの機械的異方性が定量的に評価され、配向方向に平行に圧縮した場合、ソフトエラスティックプラットフォームを示した。引張応答と比較して、低下はするが測定可能な異方性の大きさを示した。