MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31331718
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a621
■1001  ▼aZhou,  Yu.
■24510▼aMechanical  Instability,  Phase  Separation  and  Fracture  Phenomena  in  Soft  Materials
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  California,  Los  Angeles▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a208  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-12,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Jin,  Lihua.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  California,  Los  Angeles,  2024.
■520    ▼aSoft  materials,  such  as  elastomers,  hydrogels,  and  liquid  crystal  elastomers  (LCEs),  exhibit  unique  mechanical  properties  like  hyperelasticity,  poroelasticity,  and  anisotropy,  stemming  from  their  molecular  structures.  Elastomers  are  rubber-like  materials  composed  of  cross-linked  long-chain  polymer  networks,  while  hydrogels  consist  of  cross-linked  polymer  networks  immersed  in  a  solvent.  Unlike  hydrogels,  LCEs  combine  polymer  networks  with  liquid  crystal  mesogens,  exihibiting  semisoft  elasticity  where  a  finite,  though  small,  stress  is  required  to  rotate  the  mesogens.  These  materials  find  applications  in  both  natural  and  artificial  structures,  including  biological  tissues,  soft  robots,  and  flexible  sensors.Under  extreme  external  loading  conditions,  soft  materials  can  display  various  deformation  behaviors  such  as  mechanical  instability,  phase  separation,  and  fracture.  These  behaviors  are  highly  nonlinear  and  not  fully  understood.  For  instance,  mechanical  instability  under  extreme  compression  can  significantly  alter  the  shape  and  load-bearing  capacity  of  the  materials.  Dramatic  environmental  changes  can  induce  phase  separation  in  a  homogeneous  mixture,  causing  it  to  split  into  different  phases.  Additionally,  extreme  tension  can  cause  soft  materials  to  fracture  into  multiple  pieces.  This  dissertation  aims  to  study  these  phenomena  and  uncover  the  underlying  mechanisms  driving  these  complex  behaviors.First,  we  study  mechanical  instability  through  elastomeric  tube  structures.  Specifically,  we  conduct  three-dimensional  buckling  and  postbuckling  analysis  for  thick  hyperelastic  tubes  subjected  to  axial  compression  under  finite  deformation  by  the  asymptotic  expansion  method.  Our  theoretical  results  successfully  predict  the  deformation  and  stress-strain  curves  of  buckled  tubes  near  the  critical  loading,  which  are  well  validated  by  finite  element  analysis.  Depending  on  the  geometry,  three  kinds  of  postbuckling  paths,  including  continuous  buckling,  snap-through  and  snap-back,  are  discovered.  Our  work  provides  understanding  and  insights  into  the  buckling  and  postbuckling  of  thick  tubes,  and  bridges  the  knowledge  gap  between  postbuckling  of  thick  columns  and  tubes.Second,  we  investigate  the  underpinning  role  of  mechanical  constraints  and  dynamic  loading  on  triggering  volume  phase  transitions  and  phase  separation  of  hydrogels.  Using  the  Flory-Rehner  free  energy,  which  does  not  predict  phase  separation  of  hydrogels  under  equilibrium  free  swelling,  we  show  that  mechanical  constraints  can  lead  to  coexistence  of  multiple  phases.  We  systematically  obtain  the  states  of  equilibrium  for  hydrogels  under  various  mechanical  constraints, and  unravel  how  mechanical  constraints  change  the  convexity  of  the  free  energy  and  monotonicity  of  the  stress-stretch  curves,  leading  to  phase  coexistence.  Using  a  phase-field  model,  we  predict  the  pattern  evolution  of  phase  coexistence,  and  show  many  features  cannot  be  captured  by  the  homogeneous  states  of  equilibrium  due  to  large  mismatch  stretch  between  the  coexisting  phases.  We  further  reveal  that  the  system  size,  quenching  rate,  and  loading  rate  can  significantly  influence  the  phase  behavior,  which  provides  insights  for  experimental  studies  related  to  morphological  patterns  of  hydrogels.Lastly,  we  investigate  the  fracture  behavior  of  liquid  crystal  elastomers  (LCEs).  We  begin  by  developing  a  modified  semisoft  constitutive  model  to  accurately  capture  their  unique  mechanical  responses.  Next,  we  address  the  gap  in  understanding  the  effect  of  deformation-director  coupling  on  LCE  fracture  paths  and  the  lack  of  established  fracture  criteria.  By  combining  experimental  and  theoretical  approaches,  we  aim  to  elucidate  fracture  propagation  in  LCEs.  We  stretch  edge-cracked  monodomain  LCE  samples,  recording  their  stress-strain  responses  and  crack  paths  under  varying  initial  directors  and  stretching  rates.  Our  findings  reveal  that  crack  propagation  paths  are  highly  dependent  on  both  the  initial  director  and  the  stretching  rate.  To  further  understand  LCE  fracture  behavior,  we  develop  a  rate-dependent  phase-field  fracture  model,  which  is  validated  through  experiments  and  demonstrates  the  ability  to  predict  complex  fracture  paths.  Our  study  paves  the  way  for  designing  LCEs  with  enhanced  fracture  properties,  beneficial  for  future  applications.
■590    ▼aSchool  code:  0031.
■650  4▼aMechanical  engineering
■650  4▼aPolymer  chemistry
■650  4▼aMaterials  science
■653    ▼aSoft  materials
■653    ▼aLiquid  crystal  elastomers
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■653    ▼aMolecular  structures
■690    ▼a0548
■690    ▼a0794
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■71020▼aUniversity  of  California,  Los  Angeles▼bMechanical  Engineering  0330.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-12B.
■790    ▼a0031
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17162466▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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