液晶彈性體

與非晶彈性體相比，液晶彈性體在能量耗散方面具有優(yōu)異的性能，該材料還在多個(gè)頻率和寬泛的溫度范圍內(nèi)，具有較高損耗因數(shù)。不僅如此，液晶彈性體還可在增加材料強(qiáng)度的同時(shí)，兼?zhèn)錅p重功能。

近日，約翰霍普金斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于液晶彈性體的特性，發(fā)明了一種減震材料，在多領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中，該液晶彈性體材料的沖擊力耐性表現(xiàn)優(yōu)異，在承受1.8千克～6.8千克重物的沖擊的情況下，速度仍可維持在35km/h。

據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)所發(fā)明的減震材料在重量、硬度、重復(fù)使用性方面可以與金屬相媲美。

2022年2月6日，相關(guān)論文以《結(jié)構(gòu)化液晶彈性體的協(xié)同能量吸收機(jī)制》為題發(fā)表在Advanced Materials上，由約翰霍普金斯大學(xué)機(jī)械工程系助理教授康成勛擔(dān)任通訊作者。

該研究揭示了液晶彈性體結(jié)構(gòu)材料所擁有的速率依賴性能量吸收特性。其次，液晶彈性體材料的結(jié)構(gòu)組成也比較獨(dú)特，主要由剛性支撐的雙穩(wěn)態(tài)傾斜液晶彈性體梁重復(fù)單元組成。

液晶彈性體的粘彈性特性可以讓能量吸收隨著應(yīng)變速率的增加呈冪指數(shù)關(guān)系，如果將液晶彈性體的介晶取向度和加載方向進(jìn)行改變，就可以調(diào)節(jié)其能量吸收和應(yīng)變速率之間冪指數(shù)的變化。

液晶彈性體吸收機(jī)械能原理圖

當(dāng)應(yīng)變速率為600s，單元電池尺寸高達(dá)5MJm能量吸收密度時(shí)，液晶彈性體的粘彈性比二甲基硅氧烷彈性體高2個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)與致密金屬表現(xiàn)出的不可逆塑性變形耗散相當(dāng)。

康成勛對(duì)新材料極端能量吸收能力的發(fā)現(xiàn)感到興奮，他向媒體表示：“這種材料可以為設(shè)備提供更多的保護(hù)，免受外界多種因素沖擊。如果設(shè)計(jì)得更輕便，還可以減少燃料消耗和車輛對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)為防護(hù)裝備佩戴者提供更舒適的保護(hù)。”

不得不說(shuō)，液晶彈性體的應(yīng)用范圍非常廣泛。2011年11月5日，清華大學(xué)化學(xué)系副教授楊忠強(qiáng)在其一項(xiàng)研究成果中指出，“結(jié)合柔性機(jī)器人對(duì)驅(qū)動(dòng)和傳感功能的需求，針對(duì)目前集成傳感功能的纖維驅(qū)動(dòng)器在制備和結(jié)構(gòu)復(fù)雜上的短板，可以開發(fā)出易制備、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成傳感和驅(qū)動(dòng)功能為一體的液晶彈性體-液態(tài)金屬同軸纖維。”楊忠強(qiáng)副教授這項(xiàng)研究成果的應(yīng)用之一，便是全柔性三臂Delta分揀機(jī)器人。

然而，對(duì)于單元電池的多層結(jié)構(gòu)而言，不同層的非均勻屈曲會(huì)產(chǎn)生額外的粘彈性耗散，粘彈性耗散和快速屈曲之間的協(xié)同作用，導(dǎo)致能量吸收密度會(huì)隨層數(shù)的增加而增加。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)分級(jí)梁的厚度的調(diào)節(jié)，可以控制胞體的坍塌順序，進(jìn)一步促進(jìn)胞體的粘滯耗散，提高能量吸收密度，這一研究為輕量化超吸能材料的發(fā)展做出了較大的貢獻(xiàn)。

值得一提的是，成勛康不僅是約翰霍普金斯大學(xué)機(jī)械工程系助理教授，他還是約翰霍普金斯極端材料研究所的研究員。他注意到，某些領(lǐng)域關(guān)鍵保護(hù)裝置所用的典型材料，在較高速度下性能表現(xiàn)欠佳。而且無(wú)法重復(fù)使用，他開發(fā)的這種材料有望比頭盔和汽車保險(xiǎn)杠的減震性能更好。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)假設(shè)，可以通過(guò)分析速率相關(guān)的材料耗散機(jī)制，來(lái)增強(qiáng)建筑材料的能量吸收能力，使用高吸能液晶彈性體增加強(qiáng)度。同時(shí)減輕重量，進(jìn)而將這些彈性體主要用于執(zhí)行器和機(jī)器人技術(shù)。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于多層結(jié)構(gòu)的單元細(xì)胞，液晶彈性體光束單位體積的能量吸收密度隨著層數(shù)的增加而增加，在最高應(yīng)變速率下，從單層結(jié)構(gòu)到四層結(jié)構(gòu)，減震效果提高了近1倍。研究表明，彈性結(jié)構(gòu)材料的能量吸收密度與層數(shù)（堆積數(shù)）無(wú)關(guān)。

為了進(jìn)一步促進(jìn)耗散機(jī)制和增強(qiáng)能量吸收，該團(tuán)隊(duì)引入了液晶彈性體光束厚度的空間分級(jí)，以保證不同層的順序屈曲，從而使能量吸收密度隨堆疊數(shù)的增多而增加。由于液晶彈性體材料的粘彈性行為和材料結(jié)構(gòu)的突然屈曲之間具有相互協(xié)同作用，通過(guò)簡(jiǎn)單地疊加更多的層數(shù)和梁厚度分級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)能量吸收的顯著非線性增加。

未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)液晶彈性體開發(fā)的減震材料，有望在在汽車、軍事防彈服和航空航天領(lǐng)域規(guī)模化商業(yè)化。

另?yè)?jù)悉，康成勛和他的團(tuán)隊(duì)正在與一家頭盔公司合作探索商業(yè)化路線，其目的是為運(yùn)動(dòng)員和軍隊(duì)設(shè)計(jì)或制造、測(cè)試下一代新型頭盔。