正交向列相双层离散图案驱动三维形变机理与调控研究

本文创新性地提出基于正交向列相液晶网络（LCN）双层结构的离散图案化驱动策略，通过精确控制双层正交排列的液晶指向矢（director）场，实现热致动下三维形貌的可编程调控。研究结合F?ppl-von Kármán大变形理论和新型数值算法，解决了传统连续指向矢场导致的形变波长过大、多稳态等问题，为智能仿生结构（如植物荚果启发的纤维结构）和微型机器人提供了可定向弯曲/扭转的设计范式。

　　

Highlight

理论模型

图1展示了由两个厚度相同的LCN单层完美键合组成的自由站立向列相双层结构。通过建立笛卡尔坐标系（x₁,x₂,x₃），其中x₃轴垂直于界面，上下层材料相同但指向矢（director）始终保持正交排列。这种布局天然形成反双曲形状，在均匀加热时产生面内各向同性自发收缩，无需引入应变失配即可实现形变导向。

数值算法

针对双层结构特有的拉弯耦合效应，本研究改进了单层LCN的动力学算法。首先将有限双层嵌入无限大各向同性弹性基板（厚度h，杨氏模量E，泊松比ν），通过等效本征应变实现异质材料的均匀化建模，为非线性变形分析提供高效计算框架。

案例与讨论

研究重点分析了两种指向矢图案的矩形LCN双层：正交条纹交替排列和棋盘格分布。结果表明，离散域布局能精准调控形变波长，产生从规则褶皱到复杂折纸状的多级结构，其形貌受域尺寸、温度场和边界条件显著影响。

结论

本研究建立的等效均质化模型成功预测了正交向列相双层结构的致动形变，通过F?ppl-von Kármán大变形理论整合材料各向异性效应。所开发算法可高效实现复杂三维形貌的可编程设计，为智能响应材料（如4D打印结构）提供新思路。