光敏液晶高彈體的本構特性及光致彎曲行為研究.pdf

1、液晶高彈體是通過對液晶高分子交聯(lián)而形成的一種軟物質。它同時具有高彈體的超彈性,以及液晶特殊的物理性質,其力學行為復雜而豐富,表現(xiàn)出熱-力-序相互耦合的特性,各向異性以及軟彈性。尤其是2001年以來成功制備了新型的光敏液晶高彈體,可以在光照下發(fā)生大變形,甚至發(fā)生光致彎曲,有望制成微型的光傳感器和驅動器。本文將對光敏液晶高彈體的本構特性和光致彎曲進行研究與模擬。
　　 本文首先假設液晶高彈體的總能量為變形梯度、序張量以及溫度的函數(shù)。

2、利用連續(xù)介質力學的方法,完全在張量的框架下,推導了液晶高彈體應力、熵的本構方程,以及序張量的平衡條件。在取總能量為各向異性neo-Hooke彈性能與Landau-deGennes向列相自由能之和的情況下,得到了本構方程的具體表達式。對于液晶高彈體這種具有特殊對稱性的各向異性橡膠,我們定義了一個等效左Cauchy-Green張量來描述其變形,我們還通過引入一個度量張量,來連接宏觀變形尺度與微觀序的尺度。結果表明,當不考慮內力偶的作用,可以

3、得到對稱的Cauchy應力張量,它與度量張量、等效左Cauchy-Green張量同軸。應力偏張量會改變有序度和雙軸度。我們還進一步分析了零應力下的構型。當溫度變化時,液晶高彈體會發(fā)生自發(fā)變形;而在溫度不變時,指向矢也可以零應力地自由旋轉,表現(xiàn)出軟彈性。
　　 其次,利用反逆法,對與液晶高彈體指向矢成任意夾角的單軸拉伸、純剪切等典型的力學問題進行了求解。結果表明,液晶高彈體的應力、應變、溫度、有序度、雙軸度、指向矢方向,顯現(xiàn)相互耦

4、合的特性。當對液晶高彈體進行剪切,或沿著非指向矢方向進行拉伸時,液晶高彈體的指向矢會發(fā)生旋轉,并誘發(fā)雙軸效應。由于力序耦合的作用,液晶高彈體的楊氏模量是各向異性的,垂直指向矢方向的楊氏模量小于平行方向的,但都小于neo-Hooke材料的楊氏模量。而在無窮小變形下,平行和垂直指向矢方向的剪切模量均為零,表現(xiàn)出軟的特性。
　　 在考慮了光敏液晶分子光致異構化過程、向列相-各向同性相相變過程的基礎上,我們將光強和溫度引入了所得到的液晶

5、高彈體木構方程,構建了光機本構模型。結果表明,光照會改變液晶高彈體的有序度,從而產(chǎn)生光致收縮,并改變其彈性常數(shù)。而光透過液晶高彈體時,因為吸收,光強發(fā)生衰減,因而非均勻的光致收縮使液晶高彈體發(fā)生了彎曲,且光照也使液晶高彈體變成了一種非均勻梯度材料。
　　 進而,我們在平截面假設下,建立了簡單梁小撓度、大撓度的光致彎曲模型。將光的效應等效為一個光彎矩,于是就可以通過撓曲線的微分方程,計算光致彎曲的撓度曲線。我們分別在不同的邊界條件

6、下模擬了均勻光照、局部光照下彎曲的撓度曲線,并進而求得了應力在厚度方向的分布。結果表明,在我們的模型中,光和熱可以共同控制液晶高彈體的光致彎曲。等效光彎矩隨著時問、光強、梁厚與光衰減距離之比,顯現(xiàn)非單調變化。光致彎曲的應力顯現(xiàn)非均勻分布,當沒有中面薄膜力時,存在兩個或三個零應力面。而當在邊界約束液晶高彈體,致使產(chǎn)生中面薄膜力時,薄膜力會很大地約束彎曲撓度,此時小撓度理論便不再適用,必須使用大撓度理論。而局部光照的位置和半寬也會對彎曲產(chǎn)生

7、較大影響。
　　 本文還進一步利用有限元方法,模擬了光致彎曲行為。首先對液晶高彈體非線性光機本構方程進行線性化,結果表明應力不僅跟位移梯度的對稱部分有關,還與其反對稱部分有關。由于液晶高彈體光機本構方程的特殊性,我們利用FEPG有限元軟件,自行編寫了有限元弱形式等文件,導入了所構建的光機本構方程,實現(xiàn)了對光致彎曲的平面應力問題的模擬。有限元方法所得到的結論與簡單梁模型一致。而在梁厚與光衰減距離之比較人時,總應力顯現(xiàn)非線性分布,平