液晶聚合物网络材料与结构的光热驱动及多尺度力学行为分析

本项目拟研究液晶聚合物网络材料的光-热-力-序耦合行为，将借鉴高分子统计力学方法，考虑材料内分子种类和结构以及交联度等微/细观特征，建立多尺度的力学模型。进而分析各微/细观性质对材料宏观相变粘弹性热力学行为的影响机理和规律，并与试验进行比较。在此基础上发展计算建模方法，模拟有内部梯度结构和多种几何结构的光-热驱动行为。本研究将发展多场耦合多尺度模拟的力学方法，有助于弄清微/细观结构对材料模量与反应速度等重要性质的影响规律，为制备性能优异的光-热驱动材料提供理论依据，也为设计和开发光-热控器件提供理论基础和计算手段。

摘要: 项目按计划进行并顺利完成，取得了如下成果：.我们首次获得了弱交联光敏液晶高弹体小变形下的光-热-力本构关系，进而发现了该材料特殊的光-力耦合的拟软行为，说明其光致弯曲不能用经典的粱和板的弯曲理论进行分析。这是因为即使是细长粱的光致小绕度弯曲，其内的剪切应变与弯曲应变也是同一数量级，使得横截面虽可保持为平面，但却会发生与弯曲同量级的转动，不再与中轴线垂直。拟软行为发生的原因在于弱交联下，液晶指向矢还可以相对自由的旋转，基本独立于高分子网络基体的变形。而对于强交联光敏液晶聚合物网络的光致弯曲，由于指向矢难于自由转动，不会有这一现象，其小绕度弯曲还可以用经典的Hooke定律以及粱和板弯曲的理论和方法进行研究。.以经典的Kirchhoff板理论为基础，我们较为系统的计算和分析了强交联光敏液晶聚合物网络材料板的边长、边界条件、液晶指向矢的取向以及光致变形Poisson比等对其光致弯曲行为的影响。结果表明，这些几何和物理参数对其弯曲行为有很大的影响，且相互耦合，使得光照下可以获得多种多样的弯曲形状。.通过分析多层复合粱\板的光致弯曲行为后发现，如将强交联光敏液晶聚合物网络材料与透明的普通聚合物膜双层复合后，由于可以同时利用光致弯矩和光致薄膜力，弯曲程度可以较单层时大幅度提高，最高可达近10倍。同时，可以在普通薄膜基体的上下表面，按预设的花样黏贴光敏液晶聚合物网络材料，以获得更加丰富的弯曲变形花样。这为更好设计光控变形器件提供了新思路和方法。. 应用反逆法，对弱交联液晶高弹体在单轴和双轴拉伸下的热-力学行为进行了分析，发现双轴拉伸下的液晶相变温度变化的特征与单轴时有较大差别。考察了多个应变控制下加载路径，发现加载过程中，液晶有序度和双轴度都会发生改变，有时还会发生突变，而此时，必然伴随应力的突变和指向矢的旋转。. 这些研究初步弄清了不同微/细观结构对液晶聚合物网络材料宏观本构行为的影响规律，获得了适用的本构模型，发展了计算模拟方法，可较好的计算分析多种结构的光-力-热耦合驱动，模拟结果表明，通过合理设计可以获得丰富多彩的光致变形花样，进而实现光-热控器件。