[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究证明，通过粘弹性与几何诱导的非均匀屈曲协同作用，设计化的液晶弹性体（LCE）可实现协同能量吸收。在600 s⁻¹的应变率下，LCE单元结构的能量吸收达到5 MJ/m³，比PDMS高出两个数量级，与致密金属相当，从而实现了轻质、极端能量吸收材料的潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发基于设计化液晶弹性体（LCE）的轻质、高性能能量吸收材料。
• 理解在动态加载条件下，LCE基结构中应变率依赖的能量吸收机制。
• 探究粘弹性与几何设计如何协同增强能量耗散。
• 识别可实现能量吸收随堆叠层数无界增长的结构参数。

提出的方法

• 设计一种由双稳态倾斜LCE梁夹在刚性支撑之间的单元结构，以实现可控屈曲。
• 在合成过程中调控介晶取向，以调节粘弹性响应和应变率依赖的能量吸收性能。
• 采用幂律关系模型化LCE材料的应变率依赖能量吸收行为。
• 堆叠多个单元结构，研究结构层级对能量吸收和屈曲非均匀性的影响。
• 改变梁的几何形状，以促进非均匀屈曲，并增强堆叠构型下的能量吸收。
• 与PDMS和致密金属对比，评估能量吸收性能以基准化机械效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 LCE中的粘弹性如何在设计化结构中促进应变率依赖的能量吸收？
• RQ2 在高应变率下，LCE基单元结构可实现的最大能量吸收密度是多少？
• RQ3 堆叠多个单元结构如何影响能量吸收和屈曲行为？
• RQ4 通过几何设计调控LCE梁是否可实现能量吸收随堆叠层数无界增长？
• RQ5 LCE的能量吸收性能与PDMS和致密金属相比如何？

主要发现

• 在600 s⁻¹的应变率下，LCE单元结构的能量吸收密度达到5 MJ/m³，比PDMS高出两个数量级。
• 能量吸收随应变率增加而呈幂律关系增长，该关系可通过合成过程中的介晶取向调控进行调节。
• 堆叠最多三个单元结构可增强能量吸收，这是由于LCE梁的粘弹性诱导的非均匀屈曲所致。
• 通过改变梁的几何形状，可进一步促进非均匀屈曲，从而使能量吸收在堆叠层数增加时可无限增长。
• LCE结构的能量吸收性能可与经历不可逆塑性变形的致密金属相媲美。
• 粘弹性与几何设计之间的协同作用，使轻质材料实现了前所未有的能量耗散能力。