液晶弹性体的唯象理论描述

发布时间：2017-09-19 23:09

  本文关键词：液晶弹性体的唯象理论描述

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【摘要】：液晶弹性体(Liquid Crystalline Elastomers,LCEs)是一类新型的高分子材料,由液晶高分子进行适度交联而成,兼具液晶分子的电光学性质和橡胶的弹性性质。它的弹性性质表现为:它能够保持自身的形状,当变形时还能恢复到原先的形状。基于这个原因,LCEs有时也被称为固态液晶材料。LCEs的液晶基元具有和在其没有交联的系统里所展示的一样的序。根据液晶基元的排列方式,LCEs可以分为向列相、近晶相、胆甾相和其他的弹性体。本文中我们主要研究的对象是向列相LCEs。除了LCEs具有的性质,向列相LCEs还具有很多其他显著的特性,其中最值得注意的是软弹性和半软弹性。软弹性即指形变不消耗能量。由于LCEs优越的性能和潜在的应用价值,近年来被广泛的研究,但仍然有很多问题尚未解决。本文中,我们主要对LCEs构建了唯象理论模型,对LCEs的半软弹性性能给出了更加清晰的描述。文章主要分五章:在第一章中,我们对向列相LCEs的进行简单的介绍;第二章中,我们介绍了LCEs的基本能量模型;在第三章中,我们详细推导了向列相LCEs的唯象理论模型并与新经典理论进行了对比;在第四章中,我们介绍了LECs的各种潜在应用;第五章中,我们给出了一个简单的总结。第1.1节中:我们首先在第一章中对LCEs给出了简单的描述;在第1.2节中,我们介绍了序参数和序张量的定义,以及基于序参数的向列相液晶能量表达式和向列相液晶的弹性能;我们也对聚合物和LCEs的构象和能量进行了介绍;第2.1节中介绍了形变张量和经典的橡胶弹性能量;第2.2节中我们简单介绍了下新经典理论;第2.3节中简单介绍了软弹性和半软弹性。在文章的主体第三章中,我们将会用一个不同以往的新方法构建了弹性体的唯象理论模型:我们将先对弹性理论做了一个简单回顾,然后我们介绍了形变张量的概念和如何从形变张量出发得到普通的弹性介质的弹性能。在第3.2节中,我们介绍了基本的应变和弹性自由能。在第3.3节中,我们将对弹性体构建只与形变张量有关的唯象弹性能量模型;在第3.4节中,我们将构建一个同时包含形变张量和向列序张量的唯象弹性能量理论模型;在第3.5节中,我们对新经典理论与唯象理论进行了比较并研究了它们之间的关系。LCEs由液晶分子和聚合物网络混合而成,同时具有液晶的各向异性和聚合物网络的弹性,并且具有良好的外场响应性和形变可恢复性。在外界刺激,例如电磁场、温度场、可见光和紫外线等的刺激下,LCEs通过改变液晶基元的排列可以产生可观的可恢复形变,例如:弯曲、收缩、扭曲和卷曲等。我们对LCEs最感兴趣的是其在形状上的可逆性,而且LCEs在外形尺寸上的变化是非常大的,在毫秒时间尺度内就能高达400到500%的收缩率。基于以上这些良好的特性,LCEs材料可被制备成薄膜、纤维、刺激响应表面、自由悬浮的微米和纳米颗粒等,LCEs还可以被制成制动器、传感器、人工肌肉、形状记忆材料、数据存储材料、可调激光和可切换反射镜等。我们在第八章中对这些应用进行了详细的介绍。文章的最后,我们对LCEs进行了简单的总结。
【关键词】：液晶弹性体 新经典理论 唯象理论
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O753.2
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-8
• 第一章 液晶弹性体简介8-18
• 1.1 引言8-9
• 1.2 液晶弹性体的理论基础9-18
• 1.2.1 液晶9-12
• 1.2.2 液晶聚合物12-18
• 第二章 液晶弹性体的基本能量模型18-26
• 2.1 弹性理论模型18-20
• 2.1.1 形变张量18
• 2.1.2 经典的橡胶弹性能量18-20
• 2.2 新经典理论模型20-21
• 2.3 液晶弹性体特性21-26
• 2.3.1 软弹性22-23
• 2.3.2 半软弹性23-26
• 第三章 含有应变张量和向量阶张量的液晶弹性理论推导26-44
• 3.1 引言26
• 3.2 应变和弹性自由能26-27
• 3.3 含有应变的理论27-32
• 3.4 含有应变张量和向量阶张量的液晶弹性理论32-37
• 3.5 新经典理论和唯象理论之间的关系37-44
• 第四章 液晶弹性体的应用44-50
• 4.1 利用液晶弹性体制备薄膜、纤维等样品44-47
• 4.2 LCEs装置47-50
• 第五章 总结与展望50-52
• 参考文献52-72
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文72-74
• 致谢74

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本文编号：884449