液晶弹性体及结构中应力波的传播特性

发布时间：2017-12-08 14:16

  本文关键词：液晶弹性体及结构中应力波的传播特性

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【摘要】：作为一种多功能和高取向超分子体系的典型软材料,液晶弹性体(Liquid Crystalline Elastomer,LCE)的研究成为近30年来液晶聚合物研究领域的一个新兴的分支学科。作为功能性材料,液晶弹性体同时兼具弹性和液晶性,表现出优于一般液晶聚合物的性质,如机械力场取向性,取向和流动并存的液晶性,取向结构的可冻结性等等。液晶弹性体无论在理论上还是在实际上都具有重要的意义。目前关于液晶弹性体及其结构的热-光-电-力耦合的(准)静态分析已经充分展开。然而由于材料多场敏感性和力-序耦合性,其动力学行为的描述更为困难,相关动力学特性的研究才刚刚开始。本文将基于液晶弹性体粘弹性动力学模型,研究液晶弹性体及结构中应力波的传播和耗散规律,主要研究内容如下:(1)研究了液晶弹性体半空间自由表面Rayleigh波的传播特性。重点讨论了材料动力软弹性对应力波传播特性的影响。研究结果表明,液晶弹性体中的Rayleigh波不再是传统的Rayleigh波,它的传播方向与自由表面存在一个夹角,并且粒子振动轨迹的极化方向与频率有关。Rayleigh波波速表现出频率相关性,在临界相变温度附近会发生突变。但是存在一个指向矢松弛时间敏感临界频率,在临界频率Rayleigh波波速不随温度的改变而改变。(2)研究了以液晶弹性体为基体的钢/液晶弹性体以及圆孔液晶弹性体声子晶体中的能带结构。研究结果表明,液晶弹性体的软弹性性质会不同程度的降低以液晶弹性体为基体的声子晶体中完全带隙的中心频率。液晶弹性体指向矢的转动会改变材料中的能带结构。在钢/液晶弹性体声子晶体中,不同阶的完全带隙随着指向矢的转动交替打开和关闭。对于多孔液晶弹性体声子晶体,孔隙率越小,指向矢转动对带隙的影响越明显。温度越低,结构带隙的中心频率和带宽受指向矢转动的影响就越大。由于指向矢的转动可以由外场(电场,磁场,光等)控制,液晶弹性体声子晶体为能带结构的智能调控提供了可能性。(3)以几种典型正方晶格希腊十字结构真空/液晶弹性体体系声子晶体为例,研究了弯折角度,手征性几何参数b和h以及材料特征参数等对液晶弹性体多孔手征性声子晶体中能带结构的影响。研究结果表明,带隙结构依赖于指向矢角度和手性弯折角度。弯折角越小,完全带隙越容易形成。当弯折角度为较小时,不同带隙的带宽随着臂宽b的增加而增大,并随着臂长h的增加而变大。当弯折角度为90°和135°时,只有当臂长较长时,才会出现较小的完全带隙。(4)研究了热-力耦合作用下,多孔液晶弹性体声子晶体中的能带结构。采用单向耦合方法,先确定了单胞的热致变形,在此基础上,研究了声子晶体中的能带结构,讨论了指向矢的初始位置以及孔隙率对能带结构的影响。研究结果表明,随着温度的升高,3rd-4th阶和5th-6th阶带隙会随着温度的升高而减小直至消失,而4th-5th阶带隙只会在温度较高的时候打开。3rd-4th阶和4th-5th阶带隙会随着孔隙率的增大而增大,在θ=0°时3rd-4th阶带隙的变化幅度比θ=45°时的变化小。而4th-5th阶带隙随孔隙率变化的幅度在θ=0°时较大。5th-6th阶带隙随孔隙率的变化较为复杂,并没有明显的趋势。这部分研究内容实现了热-力耦合液晶弹性体能带结构的计算,也为能带结构的热致调控和设计提供了理论依据。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O753.2

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本文编号：1266679