液晶高聚物材料力电耦合相变力学行为的建模与分析

Liquid crystal polymers (LCPs) are polymers with liquid crystalline mesogenic units attached to their backbones. They have shown unique electromechanical coupling effect with very large and fast electric fields induced deformations (up to 15% strain in 10 to 100ms). Thus, they can be used as soft smart material with wide applications. Therefore, a multi-field coupling, multi-scale constitutive model has to be established. The previous study has indicated that the giant electromechanical coupling effect is closely related to the coupling of the liquid crystal transitions and deformation of the polymer backbone. This study aims to develop a constitutive model based on micro structure and molecular configuration of LCPs. The model will be applied to investigate the mechanical behavior induced by the mechanical-electrical coupling effect, where analytical and/or numerical solutions could be obtained. By comparing to the experimental results, the model will explain the mechanism of deformation, develop the theory of structural instability, and numerically simulate the post-buckling of LCP materials. The study will help understanding the mechanical characteristics of LCPs, and providing a theoretical basis for developing and application of advanced materials; furthermore the study also will enrich the multi-scale theory in solid mechanics

含有液晶基元的液晶高聚物材料展现出独特的力电耦合特性，电致变形大（15%），反应速度快（毫秒级），是一种优异的软智能材料，具有良好的工程应用前景，亟待开展多场耦合建模与分析研究。我们近期研究表明，由于其强力电耦合效应源于力电作用下液晶基元相变行为与高聚物骨架网络变形间的耦合作用，有必要通过引入反映微尺度信息的内变量，结合相变热力学，构建力电耦合多尺度本构模型，进而找到其独特的力-电耦合相变力学行为的规律和主要影响因素。因此，本项目提出发展多场耦合多尺度建模方法，建立能较好模拟液晶高聚物力电耦合相变力学特性的本构模型，进而结合解析求解、数值计算与实验，研究其力电耦合变形特征和机理，发展相应计算模拟方法。本研究将有助于弄清材料多场耦合相变力学行为的机理，为高性能材料开发与工程应用提供理论依据。同时，也能丰富和发展固体力学多场耦合多尺度研究方法和手段。

介电液晶高聚物材料展现出独特的力电耦合特性，电致变形大（15%），反应速度快（毫秒级） ，是一种优异的软智能材料，具有良好的工程应用前景。本项目针对液晶高聚物力电耦合相变力学行为开展了理论分析、多尺度建模与数值计算和模拟等研究工作。已完成的主要研究内容和重要结果有，1）发展了液晶高聚物多尺度建模方法，建立了能较好反映微尺度效应影响的本构模型，进而获得了可有效分析和计算材料宏观大变形粘弹性与微尺度效应耦合的演化方程；2）研究了液晶高聚物在电场作用下的变形行为，着重分析了电场对微尺度内变量的影响，建立力-电-指向耦合的多尺度模型；3）应用所获得的多场耦合多尺度模型，发展了相应的数值计算方法，研究了液晶高聚物在力-电耦合作用下的典型变形过程，初步弄清了其力电耦合变形行为的特征。通过本项目研究，已初步弄清液晶高聚物力-电耦合作用的规律，揭示了微尺度特征对其多场耦合相变力学行为的影响机理。 同时，发展了软物质多场耦合多尺度建模方法，获得了材料力-电耦合相变大变形本构方程，以及能较好反映微尺度效应的内变量演化方程，进而分析并确定了材料与结构多场耦合变形机理，建立起相应的数值计算方法。研究结果既有助于发展固体力学多场耦合多尺度建模方法，也能为智能软材料的工程应用提供理论依据和设计工具。