本文關(guān)鍵詞：液晶彈性體及結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波的傳播特性

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【摘要】：作為一種多功能和高取向超分子體系的典型軟材料,液晶彈性體(Liquid Crystalline Elastomer,LCE)的研究成為近30年來液晶聚合物研究領(lǐng)域的一個新興的分支學科。作為功能性材料,液晶彈性體同時兼具彈性和液晶性,表現(xiàn)出優(yōu)于一般液晶聚合物的性質(zhì),如機械力場取向性,取向和流動并存的液晶性,取向結(jié)構(gòu)的可凍結(jié)性等等。液晶彈性體無論在理論上還是在實際上都具有重要的意義。目前關(guān)于液晶彈性體及其結(jié)構(gòu)的熱-光-電-力耦合的(準)靜態(tài)分析已經(jīng)充分展開。然而由于材料多場敏感性和力-序耦合性,其動力學行為的描述更為困難,相關(guān)動力學特性的研究才剛剛開始。本文將基于液晶彈性體粘彈性動力學模型,研究液晶彈性體及結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波的傳播和耗散規(guī)律,主要研究內(nèi)容如下:(1)研究了液晶彈性體半空間自由表面Rayleigh波的傳播特性。重點討論了材料動力軟彈性對應(yīng)力波傳播特性的影響。研究結(jié)果表明,液晶彈性體中的Rayleigh波不再是傳統(tǒng)的Rayleigh波,它的傳播方向與自由表面存在一個夾角,并且粒子振動軌跡的極化方向與頻率有關(guān)。Rayleigh波波速表現(xiàn)出頻率相關(guān)性,在臨界相變溫度附近會發(fā)生突變。但是存在一個指向矢松弛時間敏感臨界頻率,在臨界頻率Rayleigh波波速不隨溫度的改變而改變。(2)研究了以液晶彈性體為基體的鋼/液晶彈性體以及圓孔液晶彈性體聲子晶體中的能帶結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明,液晶彈性體的軟彈性性質(zhì)會不同程度的降低以液晶彈性體為基體的聲子晶體中完全帶隙的中心頻率。液晶彈性體指向矢的轉(zhuǎn)動會改變材料中的能帶結(jié)構(gòu)。在鋼/液晶彈性體聲子晶體中,不同階的完全帶隙隨著指向矢的轉(zhuǎn)動交替打開和關(guān)閉。對于多孔液晶彈性體聲子晶體,孔隙率越小,指向矢轉(zhuǎn)動對帶隙的影響越明顯。溫度越低,結(jié)構(gòu)帶隙的中心頻率和帶寬受指向矢轉(zhuǎn)動的影響就越大。由于指向矢的轉(zhuǎn)動可以由外場(電場,磁場,光等)控制,液晶彈性體聲子晶體為能帶結(jié)構(gòu)的智能調(diào)控提供了可能性。(3)以幾種典型正方晶格希臘十字結(jié)構(gòu)真空/液晶彈性體體系聲子晶體為例,研究了彎折角度,手征性幾何參數(shù)b和h以及材料特征參數(shù)等對液晶彈性體多孔手征性聲子晶體中能帶結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明,帶隙結(jié)構(gòu)依賴于指向矢角度和手性彎折角度。彎折角越小,完全帶隙越容易形成。當彎折角度為較小時,不同帶隙的帶寬隨著臂寬b的增加而增大,并隨著臂長h的增加而變大。當彎折角度為90°和135°時,只有當臂長較長時,才會出現(xiàn)較小的完全帶隙。(4)研究了熱-力耦合作用下,多孔液晶彈性體聲子晶體中的能帶結(jié)構(gòu)。采用單向耦合方法,先確定了單胞的熱致變形,在此基礎(chǔ)上,研究了聲子晶體中的能帶結(jié)構(gòu),討論了指向矢的初始位置以及孔隙率對能帶結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明,隨著溫度的升高,3rd-4th階和5th-6th階帶隙會隨著溫度的升高而減小直至消失,而4th-5th階帶隙只會在溫度較高的時候打開。3rd-4th階和4th-5th階帶隙會隨著孔隙率的增大而增大,在θ=0°時3rd-4th階帶隙的變化幅度比θ=45°時的變化小。而4th-5th階帶隙隨孔隙率變化的幅度在θ=0°時較大。5th-6th階帶隙隨孔隙率的變化較為復(fù)雜,并沒有明顯的趨勢。這部分研究內(nèi)容實現(xiàn)了熱-力耦合液晶彈性體能帶結(jié)構(gòu)的計算,也為能帶結(jié)構(gòu)的熱致調(diào)控和設(shè)計提供了理論依據(jù)。
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O753.2

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本文編號：1266679