[论文解读] 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 136

一句话总结

本研究证明，3D打印的单畴向列液晶弹性体（LCEs）在压缩时表现出软弹性行为，可在准静态加载速率下实现高达45%的应变能耗散，显著优于各向同性弹性体（≤20%）；在应变率高达3000 s⁻¹时仍保持接近理想的冲击吸收行为。该工作利用直接墨水书写（DIW）技术制备了具有可调取向的体积分层单畴LCEs，从而实现对机械各向异性和屈曲行为的控制，而落体测试结果表明其Gadd严重度指数（GSI）较各向同性弹性体降低了40%。

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.

研究动机与目标

• 为解决长期以来在冲击吸收应用中制备大体积单域LCEs的挑战。
• 研究单域LCE在8个数量级应变率范围内的压缩软弹性行为。
• 评估单域LCE相对于多域和各向同性弹性体的能量耗散性能。
• 通过在3D打印LCE中编程取向矢量，实现对变形和屈曲行为的控制。
• 通过落体测试和Gadd严重度指数（GSI）分析，验证软弹性LCE的冲击吸收潜力。

提出的方法

• 采用直接墨水书写（DIW）3D打印技术，通过打印头轨迹控制，制备了体积大于cm³的体积分层单域LCEs，实现对液晶取向矢量的精确调控。
• 在应变率范围10⁻⁴至3000 s⁻¹内进行准静态和高应变率压缩测试，以评估能量耗散和软弹性行为。
• 采用Kolsky杆测试在名义应变率800、1600和3000 s⁻¹下测量动态力学响应，通过脉冲整形实现恒定应变率。
• 从压缩过程中的力-卸载滞后环中计算应变能密度和能量耗散百分比。
• 采用自定义夹具进行落体测试，将2 kg质量从0.25–1.00 m高度释放，以测量冲击响应并计算Gadd严重度指数（GSI）。
• 通过交叉偏振显微镜和机械各向异性测试，确认打印LCE中的一维取向排列及方向性力学响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D打印的单域LCE是否能在压缩中表现出软弹性行为，从而实现高能量耗散？
• RQ2 在准静态和高应变率条件下，单域LCE的能量耗散性能与多域和各向同性弹性体相比如何？
• RQ3 能否通过3D打印LCE中的取向矢量调控来定制压缩下的屈曲与变形行为？
• RQ4 单域LCE中的软弹性行为在多大程度上接近由恒定应力平台定义的理想冲击吸收行为？
• RQ5 在落体测试中，单域LCE的实际冲击性能如何？其Gadd严重度指数（GSI）表现如何？

主要发现

• 在准静态应变率（10⁻⁴ s⁻¹）下，单域LCE耗散了45%的应变能，显著优于对比材料（耗散量低于20%）。
• 在应变率高达3000 s⁻¹的范围内，单域LCE始终表现出最接近理想冲击吸能材料的力学行为，压缩过程中呈现近乎恒定的应力平台。
• 落体测试表明，在相同冲击条件下，单域LCE较同类各向同性弹性体将Gadd严重度指数（GSI）降低了40%。
• 通过编程取向矢量，可有效控制高长径比LCE样品的屈曲行为，不同打印方向导致了明显的不同变形模式。
• 交叉偏振显微镜确认了打印层中高度均匀的一维取向排列，对比度比值表明液晶有序度极佳。
• 打印LCE的机械各向异性得到量化，当沿取向矢量方向压缩时表现出软弹性平台，其各向异性程度虽低于拉伸响应，但仍可测量。