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梁旭东、李东风教授在智能材料力学领域取得新进展
发布时间:2025-01-14 14:15:05 1591

【哈工大(深圳)宣】(理学院 文/图)近日,哈工大深圳校区理学院梁旭东、李东风教授团队在单畴态液晶弹性体的本构理论研究中取得新进展,发展了一种能够描述液晶弹性体热-力耦合作用下宏观力学响应和微观液晶演化的本构理论以及相应的仿真模型,该成果以《单畴态液晶弹性体热-力-序耦合的本构模型》(A constitutive model of monodomain liquid crystal elastomers with the thermal-mechanical-nematic order coupling)为题,发表于《固体力学和物理学杂志》(Journal of the Mechanics and Physics of Solids)。

液晶弹性体(LCEs)是一种兼具液晶分子有序性和弹性体柔韧性的智能材料,能够在温度、光、电场等外界刺激下产生可逆变形并高效转化为机械驱动力。其独特性能满足多领域应用需求,包括软体机器人、仿生肌肉、可调光学器件、柔性电子设备和仿生材料等,广泛用于医疗康复、柔性电子、节能设备和智能驱动技术。如何准确预测液晶弹性体在热-力耦合作用下的变形行为,是设计和利用液晶弹性体的重要课题。

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不同液晶取向单轴拉伸实验与数值模拟结果对比

研究团队基于非线性大变形的连续介质力学理论框架,结合和发展新古典理论与Landau–de Gennes理论,同时引入各向异性自由能建立液晶弹性体热-力-序耦合本构理论。此外通过结合有限元方法为液晶弹性体的数值模拟提供高效可靠的工具。该本构理论能够精确预测液晶弹性体在不同温度、不同液晶取向下的复杂力学行为和微观的液晶分子旋转演化,揭示了热效应和机械效应对液晶分子旋转之间的竞争关系。

为验证该本构模型和数值模拟工具的工程应用能力,团队对液晶弹性体带孔结构进行定量分析,揭示了边界条件、液晶取向和孔半径对材料宏观力学响应的影响。同时发现在特定液晶取向下,材料力学响应对孔尺寸不敏感,这为设计具有一致力学性能的液晶弹性体基超材料提供了思路。这一研究成果为探索和利用液晶弹性体的独特特性提供了理论和数值框架,为其在软机器人、人工肌肉和响应性生物医学设备等广阔领域的高级应用中的铺平了道路。

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带孔液晶弹性体及液晶弹性体基超材料力学响应

梁旭东教授、李东风教授为论文通讯作者,理学院博士研究生康伟达为第一作者。哈工大深圳校区为第一完成单位。该研究得到国家自然科学基金优青项目、深圳市孔雀团队项目以及中央高校基本科研业务费专项资金资助。(编辑 李晓慧 审核 张惠屏 陈南坤)