【摘 要】
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液晶弹性体(Liquid Crystal Elastomers,LCEs)因其大且可逆的变形、响应速率快、优异的力学性能、各向异性以及驱动条件简单灵活等特点被人们认为具有广泛的应用潜力,迅速吸引了人们的研究兴趣。然而,目前液晶弹性体的应用仍然面临着制备技术不成熟、成形技术有限以及材料变形模式简单等问题。墨水直写打印技术(Direct Ink Writing,DIW)作为一种3D打印技术,不仅仅可以
【基金项目】
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华中科技大学青年前沿学术团队(2017QYTD06,2018QYTD04);
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液晶弹性体(Liquid Crystal Elastomers,LCEs)因其大且可逆的变形、响应速率快、优异的力学性能、各向异性以及驱动条件简单灵活等特点被人们认为具有广泛的应用潜力,迅速吸引了人们的研究兴趣。然而,目前液晶弹性体的应用仍然面临着制备技术不成熟、成形技术有限以及材料变形模式简单等问题。墨水直写打印技术(Direct Ink Writing,DIW)作为一种3D打印技术,不仅仅可以成形出任意复杂的形状,还可以在打印成形的同时实现液晶弹性体的定向,即定向和成形一体化,从而大大简化了液晶弹性体的制备和成形工艺。本文主要针对液晶弹性体制备和成形工艺复杂、变形模式有限等问题,提出了利用3D打印工艺编程液晶弹性体复杂变形模式的方法。为了阐释该方法,主要开展了以下研究:液晶弹性体制备工艺相关研究,确定了液晶弹性体制备工艺窗口。构建了满足液晶弹性体打印需求的高温墨水直写打印装备,并确立了液晶弹性体直写打印工艺流程。阐明了直写打印工艺参数对液晶弹性体性能的影响规律,并通过打印速率编程液晶弹性体的变形证实了该方法的可行性和有效性。制备的液晶弹性体的变形率最高可达51%,液晶相-各向同性相转变温度为98℃。所构建的高温墨水直写打印设备最高可加热至150℃,所采用的气压挤出的挤出力在0.07~0.8 MPa可调。通过2D-WAXS和材料变形率的测定发现,打印速率对液晶弹性体的变形率影响显著,可使其在12%~51.8%之间变化,其原因在于打印速率影响了液晶的取向有序程度,进而影响变形率,这为打印速率编程设计液晶弹性体变形奠定了理论基础。此外,打印温度、紫外光照时间也对液晶弹性体的变形率或交联程度具有较大影响。对打印速率编程液晶弹性体的弯曲变形行为进行了初步探索,发现通过对打印速率的设计,可实现液晶弹性体变形模式的精确控制。
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