向列相液晶聚合物薄板光驱动弯曲行为分析

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将液晶分子交联而形成的液晶聚合物材料一方面保留了液晶有序性等特征,同时又可以承受一定的机械变形。这种材料体现一定的智能性,在温度,电磁,光等外场作用下可以发生机械变形。本文针对最近报道的液晶聚合物的光机械效应一“光驱动弯曲”现象,通过研究薄板构件的光驱动弯曲行为,试图理解这种智能材料和结构的光弯曲机理,为今后液晶聚合物应用于微型化的光机系统提供一定的理论依据和参考。液晶聚合物薄板复杂有趣的光驱动弯曲现象是光照条件,液晶聚合物内部液晶分子排列方式,板的几何形状,边界约束条件等互相耦合作用的结果。首先为了探究照射光源的影响,针对非偏振紫外光(Diffused ultraviolet, DUV)和线性偏振光(Linearly polarized ultraviolet, PUV)这两种照射光源,把DUV的照射方向、PUV的偏振方向和向列相有序度Q分别引入到光敏分子的非线性的光致异构化和光吸收方程中。其次,为了研究液晶聚合物内部液晶分子排列方式对光致弯曲变形的影响。本文分别讨论了单畴向列相(平行排列和垂直排列),多畴向列相液晶聚合物薄板光致弯曲变形。对单畴向列相,把光的效应通过光致异构化诱发相变而产生光致应变中,对多畴向列相,利用Mori-Tanaka(MT)模型构建宏观多畴和局部单畴的关系,从而用局部单畴光致应变来计算宏观多畴光致应变。基于线弹性材料假设,构建了小挠度光致弯曲的矩形薄板模型,将光的效应以等效光致弯矩的形式引入到控制方程和边界条件。在均匀光照的条件下,液晶聚合物的光驱动弯曲模型可以分成由照射光源控制的弯曲程度和板的几何形状,边界条件,液晶聚合物指向矢方向作用形成的弯曲形状组成。在各向同性线弹性框架下,用解析的办法分析了四边自由和四边简支边界条件下向列相液晶聚合物薄板在均匀光照射下的弯曲挠度和高斯曲率。在各向异性线弹性框架下,利用有限元数值方法模拟了几种典型边界条件下向列相液晶聚合物薄板在均匀和局部光照下的弯曲变形。基于矩形液晶聚合物薄板结构,本文讨论相关参数如光照强度,光照时间,PUV偏振角度,指向矢的取向,弹性模量的各向异性,等效光致泊松比,薄板的长宽比等参数对光驱动弯曲行为的影响。我们也比较了不同的边界条件下完全照射和局部照射的光致弯曲行为的异同。
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