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機械工程系助理教授康成勛擔任通訊作者。

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

當應變速率為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。

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：“這種材料可以為設備提供更多的保護，免受外界多種因素沖擊。如果設計得更輕便，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。”

不得不說，液晶彈性體的應用范圍非常廣泛。2011年11月5日，清華大學化學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，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計或制造、測試下一代新型頭盔。