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        約翰霍普金斯大學(xué)開發(fā)液晶彈性體減震材料 受六點八千克重物沖擊時速度仍可維持在三十五千米每小時

        2022-05-20 12:11:32
        海外星云 2022年9期
        關(guān)鍵詞:約翰霍普金斯粘彈性彈性體

        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度的同時,兼?zhèn)錅p重功能。

        近日,約翰霍普金斯大學(xué)研究團隊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,該團隊所發(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)同能量吸收機制》為題發(fā)表在Advanced Materials上,由約翰霍普金斯大學(xué)機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。

        液晶彈性體吸收機械能原理圖

        當(dāng)應(yīng)變速率為600s,單元電池尺寸高達5MJm能量吸收密度時,液晶彈性體的粘彈性比二甲基硅氧烷彈性體高2個數(shù)量級,同時與致密金屬表現(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,免受外界多種因素沖擊。如果設(shè)計得更輕便,還可以減少燃料消耗和車輛對環(huán)境的影響,同時為防護裝備佩戴者提供更舒適的保護?!?/p>

        不得不說,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)系副教授楊忠強在其一項研究成果中指出,“結(jié)合柔性機器人對驅(qū)動和傳感功能的需求,針對目前集成傳感功能的纖維驅(qū)動器在制備和結(jié)構(gòu)復(fù)雜上的短板,可以開發(fā)出易制備、結(jié)構(gòu)簡單,集成傳感和驅(qū)動功能為一體的液晶彈性體-液態(tài)金屬同軸纖維。”楊忠強副教授這項研究成果的應(yīng)用之一,便是全柔性三臂Delta分揀機器人。

        然而,對于單元電池的多層結(jié)構(gòu)而言,不同層的非均勻屈曲會產(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)致能量吸收密度會隨層數(shù)的增加而增加。

        該團隊通過對分級梁的厚度的調(diào)節(jié),可以控制胞體的坍塌順序,進一步促進胞體的粘滯耗散,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。

        值得一提的是,成勛康不僅是約翰霍普金斯大學(xué)機械工程系助理教授,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杠的減震性能更好。

        為了實現(xiàn)這一目標,該團隊假設(shè),可以通過分析速率相關(guān)的材料耗散機制,來增強建筑材料的能量吸收能力,使用高吸能液晶彈性體增加強度。同時減輕重量,進而將這些彈性體主要用于執(zhí)行器和機器人技術(shù)。

        該團隊發(fā)現(xiàn),對于多層結(jié)構(gòu)的單元細胞,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))無關(guān)。

        為了進一步促進耗散機制和增強能量吸收,該團隊引入了液晶彈性體光束厚度的空間分級,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,通過簡單地疊加更多的層數(shù)和梁厚度分級,可以實現(xiàn)能量吸收的顯著非線性增加。

        未來,該團隊通過液晶彈性體開發(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)?;虡I(yè)化。

        另據(jù)悉,康成勛和他的團隊正在與一家頭盔公司合作探索商業(yè)化路線,其目的是為運動員和軍隊設(shè)計或制造、測試下一代新型頭盔。

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