约翰霍普金斯大学开发LCE减震材料，受6.8kg重物冲击时速度仍可维持在35km/h

与非晶弹性体相比，液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer，LCE）在能量耗散方面具有优异的性能，该材料还在多个频率和宽泛的温度范围内，具有较高损耗因数。不仅如此，液晶弹性体还可在增加材料强度的同时，兼备减重功能。

近日，约翰霍普金斯大学研究团队基于 LCE 的特性，发明了一种减震材料，在多领域实际应用中，该液晶弹性体材料的冲击力耐性表现优异，在承受 1.8kg – 6.8kg 重物的冲击的情况下，速度仍可维持在 35km/h。

图 | LCE 液晶弹性体（来源：约翰霍普金斯大学官网）

据了解，该团队所发明的减震材料在重量、硬度、重复使用性方面可以与金属相媲美。

2 月 6 日，相关论文以《结构化液晶弹性体的协同能量吸收机制》（Synergistic Energy Absorption Mechanisms of Architected Liquid Crystal Elastomers）为题发表在 Advanced Materials 上，由约翰霍普金斯大学机械工程系助理教授康成勋（Sung Hoon Kang）担任通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

该研究揭示了液晶弹性体结构材料所拥有的速率依赖性能量吸收特性。其次，LCE 材料的结构组成也比较独特，主要由刚性支撑的双稳态倾斜 LCE 梁重复单元组成。

LCE 的粘弹性特性可以让能量吸收随着应变速率的增加呈幂指数关系，如果将 LCE 的介晶取向度和加载方向进行改变，就可以调节其能量吸收和应变速率之间幂指数的变化。

当应变速率为 600s⁻¹，单元电池尺寸高达 5MJ m⁻³ 能量吸收密度时，LCE 的粘弹性比二甲基硅氧烷弹性体高 2 个数量级，同时与致密金属表现出的不可逆塑性变形耗散相当。

图 | LCE 吸收机械能原理图（来源：Advanced Materials）

康成勋对新材料极端能量吸收能力的发现感到兴奋，他向媒体表示：“这种材料可以为设备提供更多的保护，免受外界多种因素冲击。如果设计得更轻便，还可以减少燃料消耗和车辆对环境的影响，同时为防护装备佩戴者提供更舒适的保护。”

不得不说，LCE 的应用范围非常广泛。2011 年 11 月 5 日，清华大学化学系副教授杨忠强在其一项研究成果中指出，“结合柔性机器人对驱动和传感功能的需求，针对目前集成传感功能的纤维驱动器在制备和结构复杂上的短板，可以开发出易制备、结构简单，集成传感和驱动功能为一体的液晶弹性体-液态金属同轴纤维。”杨忠强副教授这项研究成果的应用之一，便是全柔性三臂 Delta 分拣机器人。

然而，对于单元电池的多层结构而言，不同层的非均匀屈曲会产生额外的粘弹性耗散，粘弹性耗散和快速屈曲之间的协同作用，导致能量吸收密度会随层数的增加而增加。

该团队通过对分级梁的厚度的调节，可以控制胞体的坍塌顺序，进一步促进胞体的粘滞耗散，提高能量吸收密度，这一研究为轻量化超吸能材料的发展做出了较大的贡献。

值得一提的是，成勋康不仅是约翰霍普金斯大学机械工程系助理教授，他还是约翰霍普金斯极端材料研究所的研究员。他注意到，某些领域关键保护装置所用的典型材料，在较高速度下性能表现欠佳。而且无法重复使用，他开发的这种材料有望比头盔和汽车保险杠的减震性能更好。

为了实现这一目标，该团队假设，可以通过分析速率相关的材料耗散机制，来增强建筑材料的能量吸收能力，使用高吸能液晶弹性体增加强度。同时减轻重量，进而将这些弹性体主要用于执行器和机器人技术。

该团队发现，对于多层结构的单元细胞，LCE 光束单位体积的能量吸收密度随着层数的增加而增加，在最高应变速率下，从单层结构到四层结构，减震效果提高了近 1 倍。研究表明，弹性结构材料的能量吸收密度与层数（堆积数）无关。

为了进一步促进耗散机制和增强能量吸收，该团队引入了 LCE 光束厚度的空间分级，以保证不同层的顺序屈曲，从而使能量吸收密度随堆叠数的增多而增加。由于 LCE 材料的粘弹性行为和材料结构的突然屈曲之间具有相互协同作用，通过简单地叠加更多的层数和梁厚度分级，可以实现能量吸收的显著非线性增加。

未来，该团队通过 LCE 开发的减震材料，有望在在汽车、军事防弹服和航空航天领域规模化商业化。

另据悉，康成勋和他的团队正在与一家头盔公司合作探索商业化路线，其目的是为运动员和军队设计或制造、测试下一代新型头盔。

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参考：
1.Seung-Yeol Jeon et al., Adv.Mater.（2022）
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202200272
https://phys.org/news/2022-03-shock-absorbing-material-stronger-lighter-safer.html