形變的案例
中科院深圳先進院揭示離子交聯型水凝膠可控三維形變機制
近日，中國科學院深圳先進技術研究院杜學敏副研究員團隊研發出一種離子交聯型水凝膠，首次報道了通過生物兼容性離子（Na+/Ca2+）觸發水凝膠可控三維形變，并揭示了其內外反轉三維可逆形變機制。相關研究結果以論文“Inside-Out 3D Reversible Ion-Triggered Shape-Morphing Hydrogels”（離子觸發內外反轉三維可逆形變水凝膠）在Science合作期刊Research上在線發表（Research, 2019, DOI: 10.1155/2019/6398296）。
【成果簡介】
近年來，仿生可控三維形變材料在組織工程與人工器官等醫學領域應用廣泛，但傳統材料要么欠缺可控形變能力，要么刺激調控手段面臨安全性挑戰，由此極大限制了傳統生物材料醫學應用。如何成功實現傳統生物材料的可控三維形變，及采用生物相容性手段調控形變，仍是材料生物學應用面臨的一大難題。
為解決該挑戰，杜學敏研究團隊基于前期在材料可控形變設計經驗（Advanced Materials, 2017, 29, 1702231；Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120；Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1801027），創新性地仿生自然中觸之形變植物的構造原理，通過表面定向排列微陣列結構與自上而下的梯度交聯設計結合，成功實現鈣離子交聯的海藻酸鈉水凝膠可控三維形變。將所得螺旋形水凝膠置于0.1 M NaCl溶液中，發現三維螺旋形會逐漸變形為二維平面結構，最終結構進一步反轉形成微通道朝外的反向三維螺旋結構。
展開 生物啟發的氣動形變彈性體
形變材料是未來航空領域、微創手術、組織工程和智能材料等應用的核心。然而，基于細條狀材料本質上只能發生單向彎曲的非均勻致動。
法國巴黎狄德羅大學Beno?t Roman教授課題組, 受生物結構形態變化的啟發，實現了在壓力作用下，介孔結構彈性體圓盤的快速、可控的復雜形狀變化。該成果以“生物啟發的氣動形變彈性體”為題，發表在《自然·材料》，文章第一作者為Emmanuel Siéfert。
通過嵌入橡膠圓盤的特殊氣道網絡，來精確控制其局部應變速率和方向，從而克服幾何限制。研究者同時展示了如何使用理論模型來編程任意三維形狀，并通過一系列構型來闡述該技術的多功能性。
氣動形變彈性體具有大的工作載荷、可逆和快速致動的優勢，使得制動器在軟體機器人的扭轉、收縮、膨脹或彎曲等運動方式上得以發展。該方法也為形變材料在微創手術、生物打印、流程優化、建筑和智能材料中的應用提供了新的思路。
圖文速讀
圖1 致動原理。a，氣道內壓力變化引起圓盤各向異性膨脹(垂直于氣道的應變高于平行于氣道的應變)；b，制樣模具；c-d，圓盤致動示意圖。
圖2 形變表征。a，樣品的垂直切面示意圖(相對高度Ψ=h/(h + 2e)，氣道密度Φ=d/(d +dw)，d是氣道寬度，dw是壁的寬度，h是氣道的高度，e是覆膜的厚度)；b，在分別固定Ψ值和Φ值后，樣品橫向和縱向應變與壓力的關系曲線；c，施加壓力下，角度α與半徑的關系示意圖。
展開 熱塑性彈性體光纖用于監測極端形變
近年來，基于阻抗、電容及感應電勢等檢測技術的電子織物傳感器得到了迅猛發展，但是，這些傳感器的組分之間的機械性能、電化學行為差異較大；而且為了保證材料能夠實現可重復的可逆形變，傳感材料通常需要復雜的制備過程，難以量產化。
為了解決這一問題，科學家們將光纖整合到織物中以監測人體運動情況。傳統的光纖材料如石英玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯等剛性過強，只能監測小范圍的形變。而彈性體、水凝膠等能允許較大形變的材料在量產方面又面臨諸多困難。因此，急需一個新方法和技術制備能量產化的、允許較大形變的材料。
麻省理工學院的Mathias Kolle教授團隊設計了一種能量產化的具有優異拉伸和彎曲性能的光纖。這種光纖由具有相似機械性能和不同折光指數的兩種透明熱塑性彈性體組成，形成殼-包層的結構。同時利用熱塑性彈性體能夠熔融加工的優點，利用一步法共擠出成型得到幾百米長的光纖。與傳統的光纖材料相比，作者制備的光纖材料具有較好的形變能力，能夠承受極大的伸長、彎曲以及壓力形變。這種光化學的耦合是量化可穿戴織物傳感器機械刺激的基礎。
為了評估這種光纖的性能，作者將其整合到低成本的電子器件中對幾種人體行為進行監測：（1）膝蓋的連續彎曲；（2）手指的運動；（3）球落在球拍上時的壓力及位置。
圖1 光纖材料的制備及結構示意圖
圖2 光纖材料的機械及光學性能
從圖2可以看出光纖的斷裂伸長率達到(545±35)%，伸長率在40%和300%之間重復變化時，光纖表現出優異的彈性行為。在400~850 nm光波范圍內，相對于短波，光纖對長波具有更好的透過性，但是其光纖衰減系數卻比聚甲基丙烯酸甲酯高三個數量級。這可能是由核-包層界面存在的顆粒、氣泡以及不均勻的核直徑導致的。為了驗證包層結構存在的必要性，作者對比了核-包層結構和只有核材料的光纖的性能。
展開 清華楊忠強課題組Small：開發出一種用于人工肌肉的兼具快速、大幅度可逆形變能力的電熱響應液晶彈性體纖維
為此，清華大學楊忠強副教授課題組制備了一種含有液態金屬（LM）的電熱響應LCE纖維（LM-LCE纖維），兼具快速、大幅度的可逆形變能力，并能以高功密度和高特征功率對外輸出功。
圖1. LM-LCE纖維的制備及其在連續電刺激下的收縮特性。
該團隊利用滾軸涂覆的方法制備了雙層夾心結構的LM-LCE纖維。LM的導電性賦予LCE電熱響應性；其次，LM流體特性降低了對LCE變形的限制，確保LCE可以自由產生大幅度收縮（ΔL/L0 ~ 0.4）。LM-LCE纖維經過1000次電循環后仍保持良好的電熱響應性能。
圖2. 電壓值和脈沖時間對LM-LCE纖維的收縮率和收縮速率的影響。
在利用纖維驅動器作為人工肌肉對外做功時，希望纖維能提供大的輸出功和高的輸出功率。前者要求纖維產生大的收縮率，而后者則要求高的收縮速率。對熱響應的LCE纖維而言，形變率由纖維所達到的溫度決定，而形變速率由纖維的升溫速率決定。通過電熱效應操控LM-LCE纖維形變時，纖維溫度及升溫速率均可通過改變電刺激的參數進行調控：通過調控電壓，LM-LCE纖維在各個通電時間下均可以達到約43%的最大形變率，與人類骨骼肌的最大收縮率（>40%）相近。在15 V，0.1 s的電壓刺激下，纖維的升溫速率達到最大，約為562 °C·s-1，此時，纖維的平均形變速率也達到最大，約為284 %·s-1，是人類骨骼肌收縮速率（>50%·s-1）的5倍以上。
圖3. 模仿人類肱三頭肌的LM-LCE纖維驅動的精確拋球。
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《Science》子刊：美研究人員開發出易編程、完全可逆形變的液晶彈性體
形變聚合物材料可將聚合物對于外界的刺激（熱、光、pH和化學變化等）轉換為動態形狀的改變。通過玻璃化轉變、相變、液晶轉變、動態共價化學和非共價相互作用等多種形變機制將所施加的刺激轉變為相應的形狀變化。利用這些形變，該類材料可以應用于生物醫學、四維打印、機器人、光學元件和人造肌肉等方面。
雖然液晶彈性體和液晶網絡的刺激響應時間較長，但是其微觀分子排列可以直接轉化為宏觀形變，使得它們成為當下有望實現完全可逆變形的材料。為了探究液晶彈性體更為復雜和可控的形狀變化，美國科羅拉多大學材料科學與工程系的Christopher N. Bowman教授課題組開發了一種光聚合液晶彈性體，可以利用光引發動態化學鍵重組來調整液晶分子的取向。
研究者利用烯丙基二硫醇、略微過量的介晶二丙烯酸酯（RM82）以及新戊二醇二丙烯酸酯（NPGDA）反應，得到含有加成-斷裂鏈轉移（AFT）能力的丙烯酸酯封端低聚物，再經光聚合成可動態化學鍵交換的液晶聚合物網絡。其中NPGDA單體的加入實現了無定形區含量的調控，調整聚合物清亮點為80℃。
該研究工作的獨特之處在于，通過控制光處理的時間將AFT交換過程與熱致液晶行為分開。研究者利用動態機械性能分析、應力-應變分析、偏光顯微鏡以及原子力顯微鏡輔助的納米壓印技術探究了其形變過程。發現光引發的AFT反應實現了，在給定溫度和機械應變下的多次編程和擦除的過程，并通過偏光FT-IR觀察了這些過程中液晶分子的排列。例如，將該聚合物薄膜手動折疊并用320至500nm（100mW/ cm2）光照射，加熱時折疊將打開形成平面狀態，并在冷卻回室溫后恢復為折疊狀態。然而，在沒有光照的情況下，折疊在恢復扁平面形狀并冷卻后依舊停留在平面狀態。因此，光反應和相變過程共同決定著聚合物的宏觀相變。
展開 浙大王立教授和俞豪杰副教授團隊AFM：受貽貝啟發的基于鐵-兒茶酚復合物的近紅外光觸發形變聚合物
近紅外（NIR）光響應形變聚合物因其獨特的光響應形狀轉變及驅動性能在驅動器、軟體機器人、機械工程以及航空航天等領域有很好的應用前景。NIR光是一種可精確調控的刺激源，通過對光線的調控可以對光響應形變過程進行遠程精準控制。目前NIR光響應形變聚合物主要通過在聚合物網絡內引入一定量碳納米管、石墨烯等具有光熱轉換效應的填料而制備得到，但該類方法面臨填料團聚等挑戰。填料團聚會顯著影響聚合物網絡的均一性，對所得NIR光響應形變聚合物的機械性能、形變性能以及光響應性等造成不利影響。
近日，浙江大學王立教授和俞豪杰副教授課題組受貽貝粘蛋白化學啟發，制備了一種不含光熱轉換填料的NIR光響應形變聚合物。該聚合物由兒茶酚（Catechol）封端的聚乙二醇（PEG-Dopa）與Fe(III)在堿性（pH=11）條件下經配位交聯后制得（圖1）。
圖 1. 聚合物的制備及結構表征
聚合物網絡中形成的tris-Catechol-Fe (III) 配合物對NIR光有較強的吸收，使得聚合物表現出較強的光熱轉換能力。借助PEG鏈段的結晶/熔融相轉變行為，所制備的聚合物具有較好的NIR光響應形變特性（圖2）。此外，利用Catechol-Fe (III) 配位鍵在高溫下的鍵交換，還可重塑聚合物的初始形狀。鑒于該聚合物良好的光響應形變特性，對其在光控開關方面的應用進行了探索，發現所得光控開關有靈敏的光響應性能。
圖2. 聚合物的光熱轉換性能、光響應形變性能
圖3.
展開 【揚聲器仿真高階應用】閉箱揚聲器橡膠邊在運動中異常形變
【揚聲器仿真高階應用】閉箱揚聲器橡膠邊在運動中異常形變
之前設計過一款低音揚聲器單元，使用在閉箱中，箱體容積對比單元的Vas非常小。當時那款產品采用的是凹橡膠邊，平板盆。在做可靠性功率試驗時橡膠邊破損。
經過調查，排除掉橡膠邊因本身應力過大導致破損等等原因。 同時，發現一個比較奇特反常的現象，橡膠邊在運動過程中產生異常形變。類似下圖。
上圖以及后面的案例均為非真實產品，僅作為示范說明。
初步懷疑異常形變的來源是閉箱內外的壓力差。 想通過仿真來復現此現象。
很直接的想法是用流固耦合的方法來做。不過計算很容易不收斂，且計算規模非常大。所以最終考慮采用等效的空氣壓力來簡化計算。
定義好橡膠邊內外受到的空氣壓力（位移相關）。除靜止狀態外，內外存在壓力差。
由于這是個強非線性過程，所以需要將網格劃分得略細一些。 尤其注意轉角處的網格劃分，避免非真實情況的應力極度集中。
在紙盆處加載位移或者力
紅色圈的是異常部位。黑色線條代表正常狀況下應該形成的曲線。
從3D圖中看得更明顯
下面是動態的過程演示，顯示可能稍微有點問題。 不過可以大致了解其運動過程中的狀態。供各位參考。
最終的解決方案大家可以憑借設計經驗自行判斷。
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展開 基于形變勢理論計算載流子遷移率
本文基于形變勢理論方法為基礎，介紹了二維材料電子和空穴的有效質量與載流子遷移率的計算方法。這種方法沒有考慮電子和聲子(晶格振動)以及電子與電子之間的相互作用等因素，計算結果存在一定的誤差，但是相比于基于玻爾茲曼輸運理論采用Quantum-ESPRESSO 和 EPW 軟件計算載流子遷移率的方法，經濟實惠且結果在可接受的范圍之內，是計算載流子遷移率常見的方法。
二維材料載流子遷移率可以根據下式計算：
其中，m∗是傳輸方向上的有效質量，T是溫度，kB是玻爾茲曼常數。
E1表示沿著傳輸方向上位于價帶頂 (VBM)的空穴或聚于導帶底(CBM)的電子的形變勢常數，由公式確定，其中ΔE為在壓縮或拉伸應變下CBM或VBM的能量變化，l0是傳輸方向上的晶格常數，Δl是l0的變形量。
md是載流子的平均有效質量，由下面公式定義：
C2D是均勻變形晶體的彈性模量，對于2D材料，彈性模量可以通過下面公式來計算 ，其中E是總能量，S0是優化后的面積。
本公式的單位：
md(kg)、E1(J)、C2D(J/m2)、e(C)、g(J*s)、e(J/K)、m*(Kg)、
使用的工具：VASP5.4.4版本及以上、vaspkit、origin。
歡迎通過公眾號"320科技工作室"與我們聯絡
展開 兩個溫度下的熱形變
兩個分離的物體由22度轉變為183度，
然后焊在一起，
一起由183度降為22度，
模擬這個過程所帶來的最終形變
TSolidX：液晶顯示的形變分析
可以通過 TSolidX 計算生成的 3D 結構中應力的形變率和位移。變形結構可用于機電分析和光彈性效應，即材料在機械變形下光學性質的變化。
TSolidX：液晶顯示的形變分析
可以通過 TSolidX 計算生成的 3D 結構中應力的形變率和位移。變形結構可用于機電分析和光彈性效應，即材料在機械變形下光學性質的變化。
hypermesh中要計算一個環形物體在離心力及壓力作用下的形變，求指導？？？？
hypermesh中要計算一個環形物體在離心力及壓力作用下的形變，求指導？？？？
激光非接觸發測量材料形變、斷裂
主營產品包括：激光位移傳感器、色散共焦位移計、高速攝像機、紅外熱像儀、激光測振儀、光學形變測量儀、激光剪切散斑干涉儀；日本YAMATO實驗室通用設備、YAMAOT等離子刻蝕/清洗機、YAMAOT等離子灰化裝置、YAMAOT噴霧干燥機等；各種顯微鏡、內窺鏡。
電話：021-31177311
E-mail：sparkshi@think-foucus.com
橡膠制品的動態疲勞及配方設計方案
橡膠制品耐疲勞性能與橡膠性質、配方、和疲勞條件(周期形變類型、形變頻率、形變率、形變力和溫度等)有密切關系。
橡膠動態疲勞的力化學
在周期力作用下,未填充的線構或網構橡膠,它們的分子結構或網構狀態,發生顯著的變化以致破壞。這是由于疲勞過程,大分子或網構發生斷裂破壞,重排以及再結合等過程,導致了橡膠結構的不均勻狀態。這種狀態更促使橡膠結構微區中的應力分布愈趨不均化。特別是由于橡膠的粘彈性質,周期形變時,應力松弛來不及充分進行。這些因素使橡膠結構中總是保持一定的應力梯度,在多次形變下,橡膠結構將逐漸遭到破壞。
大分子鏈或網構產生疲勞破壞,結果生成了大分子鏈段自由基,由于鏈段自由基又可引起一系列橡膠的力化學反應過程,導致了橡膠進一步的疲勞破壞。鏈段自由基與氧反應，引發了橡膠的氧化反應。實驗表明，橡膠在周期力的作用下，降低了氧化活化能，加速了氧化作用。如周期力形變振幅50％，形變頻率250周/分時，氧化活化能為18.1千卡/克分子，未經應力活化的，氧化活化能為21.0千卡/克分子，兩者的差值便是機械能轉化成化學能的結果。這是因為機械力使橡膠大分子繼中的鍵角、鍵長發生形變，致使降低了氧化活化能。
機械疲勞強度，直接影響了生成自由基的濃度和氧化速度，這可以從防老劑的消耗速度得到說明。橡膠在不同老化條件下老化過程中防老劑的消耗速度是不同的。無應力狀態老化，防老劑消耗速度最慢。多次形變下的老化，氯化反應很強烈，加快了防老劑的消耗速度。
此外，橡膠于機械疲勞過程，也伴隨發生強烈的臭氧化反應，所以橡膠的疲勞破壞，臭氧化作用也是一個重要因素。在多次形變下，橡膠表面產生裂口，臭氧與裂口處橡膠反應，發生臭氧化破壞，促進了裂口的深化，結果也加速了橡膠的疲勞破壞。
展開 Science：超級單晶納米金剛石，強度89-98GPa，彈性形變9%！
各種高強度材料的強度對比
有鑒于此，香港城市大學Yang Lu、Wenjun Zhang與美國麻省理工學院的Ming Dao、新加坡南洋理工大學的Subra Suresh團隊合作，報道了一種具有超大彈性變形能力的單晶納米金剛石，強度達到接近其理論極限的89-98 GPa，彈性形變達到9%！
圖2. 納米針尖狀金剛石的制備
研究人員首先通過CVD制備<111>取向的金剛石薄膜，然后通過反應性離子刻蝕策略，制備得到特征尺寸約300 nm的單晶納米針尖金剛石。計算預測其理論拉伸應變為13%，理論拉伸強度可達到130 GPa。實際測試表明，這種單晶納米金剛石最大拉伸應變（9%）接近其理論彈性極限，相對應的，其最大拉伸應力可達到89-98 GPa，而體相金剛石拉伸強度不足10 GPa。
眾所周知，金剛石具有極高的強度，但是不具有彈性變形能力，如果你想要讓金剛石變形，唯一的辦法就是打碎它。而這種納米化的針尖狀金剛石則不僅具有超高的強度，還可以超大幅度的彈性變形。
圖3. 單晶納米針尖狀金剛石的超大彈性變形
結合系統的計算模擬以及表征測試，研究人員認為，這種納米金剛石的超高強度和超大彈性變形的同時存在，一方面歸根于小體積納米金剛石中的缺陷很少，另一發方面是因為納米金剛石比體相金剛石具有更加光滑的表面。
圖4. 材料最大彈性拉伸應變匯總
總之，這項研究發展了一種具有超大變形能力的高強度材料，開辟了納米金剛石在微電子器件和藥物輸送等領域的新應用，并為金剛石的納米結構、形貌、彈性應變以及物理性能的設計與優化，帶來了新的啟發！
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