类型a：原创性研究学术报告
作者及机构
本研究的通讯作者为Shengqiang Cai（加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程系），第一作者为Qiang Guo（科罗拉多大学科罗拉多斯普林斯分校机械与航空航天工程系），合作作者Shengjia Zhang（加州大学圣地亚哥分校）。研究发表于Engineering Fracture Mechanics期刊，2025年9月在线发表（Volume 329, 111602）。
学术背景
研究领域与动机
本研究属于软材料断裂力学与液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer, LCE）力学的交叉领域。液晶弹性体是一类兼具聚合物弹性与液晶取向有序性的智能材料，其力学行为高度依赖介晶（mesogen）的排列方向。尽管LCE在驱动、形变响应等领域已有广泛研究，但其断裂行为（如裂纹扩展路径、断裂韧性）的机理尚不明确。传统各向同性材料的断裂理论无法解释LCE的复杂各向异性行为，例如介晶旋转导致的裂纹偏转（crack deflection）和能量耗散。因此，本研究通过实验与模拟结合，系统探究了介晶取向对LCE断裂韧性及裂纹偏转的影响。
科学目标
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测量单畴LCE在不同介晶取向下的断裂韧性（fracture toughness），量化其各向异性程度；
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揭示裂纹偏转与介晶取向的关联性；
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建立基于能量释放率最大化准则（energy release rate maximization）的数值模型，预测裂纹路径。
研究流程与方法
1. 材料制备与样品设计
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单畴LCE合成：采用两步交联法（two-step crosslinking），通过预拉伸和紫外固化锁定介晶取向（图2）。
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裂纹样品制备：从单畴LCE薄膜中切割纯剪切试样（pure shear specimen），预裂纹长度固定为4倍试样高度（(a=4h)），介晶初始取向角（(\lambda_0)）涵盖0°至90°（间隔10°）。
2. 断裂韧性实验
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测试条件：使用Instron力学试验机，控制拉伸速率（(\dot{\lambda}=10^{-5}-10^{-2} , \text{s}^{-1})），通过无裂纹试样的名义应力-应变曲线计算能量释放率（(G_{hw})）。
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关键发现：
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介晶取向平行（(\lambda_0=90^\circ)）或垂直（(\lambda_0=0^\circ)）于加载方向时，断裂韧性差异显著（(\gamma_{90^\circ}/\gamma_{0^\circ}\approx1.88-3.5)），但远小于其刚度差异（图4）。
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加载速率升高时，断裂韧性因黏弹性耗散增强而增大，但准静态条件下（(\dot{\lambda}=10^{-5} , \text{s}^{-1})）表现为本征断裂行为。
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3. 裂纹偏转实验
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观测方法：高速摄像机记录裂纹路径，量化偏转角（(\phi_{\text{crack}})）。
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结果：裂纹偏转角度随(\lambda_0)呈非线性变化，最大值出现在(\lambda_0\approx20^\circ-30^\circ)（图6），且与加载速率无关。
4. 有限元模拟
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模型开发：基于Abaqus构建LCE本构模型，引入准凸化自由能（quasi-convexified free energy）描述介晶旋转（公式7）。
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J积分计算：通过虚拟裂纹扩展方向（(\phi)）的J积分（(G_j)）预测最优裂纹路径（(\phi^*)）。
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验证：模拟成功复现实验观测的裂纹偏转趋势（图11），证实能量释放率最大化准则的适用性。
主要结果与逻辑关联
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断裂韧性的各向异性：尽管LCE的应力-应变行为高度依赖介晶取向，但断裂韧性差异相对温和，表明介晶旋转对能量耗散的贡献有限（图4）。
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裂纹偏转机制：介晶旋转导致裂纹尖端应力场重分布，J积分最大值方向（(\phi^*)）与实验测得的偏转角（(\phi_{\text{crack}})）一致（图9-11）。
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模型预测能力：通过恒定断裂韧性假设，模拟准确预测了不同(\lambda_0)下的偏转行为，但需进一步考虑断裂韧性的方向依赖性（如各向异性阻力）。
结论与价值
科学意义
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首次系统量化了LCE断裂韧性的各向异性，揭示了介晶旋转对裂纹扩展的调控作用。
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提出基于J积分的裂纹路径预测框架，为各向异性软材料的断裂设计提供理论工具。
应用价值
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指导LCE器件（如软体机器人、人工肌肉）的耐损伤设计，避免裂纹非预期扩展。
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为其他各向异性材料（如液晶聚合物、生物组织）的断裂研究提供方法论参考。
研究亮点
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创新方法：结合纯剪切实验与各向异性本构模型，首次将能量释放率最大化准则应用于LCE裂纹偏转预测。
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关键发现：断裂韧性对介晶取向的依赖性弱于力学响应，暗示裂纹尖端区域的能量耗散机制具有独特性。
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跨学科价值：研究成果衔接软材料力学与断裂力学，推动了智能材料失效机理的基础认知。
其他有价值内容
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附录提供了原始数据访问链接，支持结果可重复性。
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研究获美国陆军研究办公室资助（W911NF-20-2-0182），凸显其军事应用潜力（如柔性防护材料）。