《Extreme Mechanics Letters》：Impact damping in hybrid liquid-crystalline elastomer metamaterials
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支架化的液晶弹性体（LCE）超材料保留了反常的向列相（nematic）冲击阻尼。热塑性聚氨酯（TPU）支架在不施加通常的刚度-阻尼代价的情况下增强了LCE。金刚石晶格将压缩引导至富含剪切（shear）的局部变形场。3D支架化LCE在剧烈冲击下存活，而各向同性（
支架化的液晶弹性体（LCE）超材料保留了反常的向列相（nematic）冲击阻尼。热塑性聚氨酯（TPU）支架在不施加通常的刚度-阻尼代价的情况下增强了LCE。金刚石晶格将压缩引导至富含剪切（shear）的局部变形场。3D支架化LCE在剧烈冲击下存活，而各向同性（isotropic）对照材料被摧毁。
冲击防护需要在单一材料中同时实现多种难以兼得的性能。在一次短时碰撞中，造成损伤的关键量不仅是总机械能损失，还包括传递力脉冲的幅值与持续时间。软材料虽能降低峰值力，却往往缺乏结构稳定性；硬材料具有承载能力，但倾向于将能量弹性回弹并产生更尖锐的力脉冲。液晶弹性体（LCE）因其向列相中聚合物网络变形与液晶基元取向弛豫的耦合，提供了一种超越普通聚合物粘弹性的内在耗散通道。然而，大变形下软弹性响应会使局部区域发生取向排列并难以恢复，导致块体LCE在重复或剧烈压缩下尺寸稳定性和重复性下降。此外，法向冲击以压缩加载为主，而LCE最强的耗散与剪切相关的取向旋转耦合，因此块体LCE未必能有效将冲击能量导入最耗散的变形模式。此前架构化LCE研究多使LCE本身作为承重晶格，尚未解决结构与耗散功能分离的问题。为解决这一问题，研究人员设计了混合LCE超材料：将热塑性聚氨酯（TPU）支架与连续或半连续的向列相LCE相结合。支架承担两项耦合的力学功能：提供弹性约束与局部恢复力以抵消软弹性捕获；同时将宏观冲击载荷重新导向，使局部LCE内产生非均匀剪切和弯曲变形，从而实现压缩-剪切转换。该论文发表于《Extreme Mechanics Letters》。
研究人员采用两种交联密度的LCE（LCE5和LCE10）和两种支架架构（2D蜂窝与3D金刚石晶格），通过拉伸、压缩和落球冲击实验系统表征力学行为，并与各向同性态和商业缓冲材料对比。主要结论包括：支架化LCE保留了反常的向列相冲击阻尼；TPU支架增强LCE而未产生通常的刚度-阻尼权衡；3D金刚石晶格在剧烈冲击下保持完整，而各向同性对照失效。该工作展示了内部架构可针对特定的分子耗散机制进行机械设计，为软冲击防护材料提供了新思路。
主要技术方法方面，研究人员使用硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成反应制备LCE，原材料（RM257、EDDET、PETMP、TEA、BHT）均购自商业供应商；通过FFF和SLS分别打印2D和3D TPU支架，支架体积分数均为10%；将LCE前驱体与TPU支架接触固化形成机械互锁。力学测试包括ASTM D638拉伸测试和球形压头压缩测试；冲击测试采用落球装置，通过冲量校准将传感器电压信号转换为力-时间曲线。冲击能量覆盖3-7 J及50 J，并以PDMS填充同型晶格和商业鞋垫材料作为对照。
研究结果如下：
3.1 混合支架-LCE架构
研究人员设计了分离结构承载与分子耗散功能的混合超材料。LCE5和LCE10用于检验本征弹性性质的影响。2D蜂窝支架通过垂直TPU壁提供侧向约束，3D金刚石晶格提供分布式内部约束和互连LCE相。结果表明，两种架构均能实现结构增强而不抑制LCE局部变形。
3.2 支架化LCE的准静态力学
拉伸测试显示，填充TPU蜂窝支架的LCE复合材料在保持大延展性的同时显著提高承载应力，表现为韧性增强而非脆性断裂。压缩测试表明，2D蜂窝响应主要由垂直TPU壁控制，对LCE交联密度不敏感；3D金刚石晶格则保留了LCE填充体的刚度差异，证明其形成支架-LCE耦合变形体系。
3.3 冲量校准的冲击力
采用垂直落球冲击实验，利用动量平衡将力传感器电压信号校准为力-时间曲线。该方法同时量化峰值力和脉冲宽度，从而区分能量耗散与力脉冲整形能力。
3.4 支架化LCE保留向列相阻尼
3 mm厚纯LCE和2D蜂窝支架复合LCE在向列态均产生宽而衰减的力脉冲，支架增强后脉冲形状基本不变；各向同性LCE则产生更尖锐高幅的力脉冲并发生破坏。3D金刚石晶格在3-7 J冲击下同样显示宽脉冲，且两种LCE组成差异很小，说明支架在提高稳定性的同时保留了依赖向列相取向弛豫的冲击阻尼。
3.5 剧烈冲击生存能力
在50 J冲击下，3D金刚石LCE10超材料保持完整并产生可测的力-时间响应，而PDMS和各向同性LCE对照均碎裂。连续10次冲击的峰值力变化低于10%，表明具有良好的重复性。对照实验证实向列态和支架两者均不可或缺：前者提供反常耗散，后者提供结构恢复和载荷重新分配。
讨论部分指出，与在LCE基体中添加刚性颗粒的传统增强策略不同，本工作通过外部TPU支架实现架构增强。支架不仅提高刚度，还将冲击载荷机械路由至能利用向列相剪切耗散的变形模式。商业鞋垫对照显示，该LCE超材料的力脉冲落在实际应用范围内，且更薄的材料实现了更低的峰值力和更长的持续时间。
研究结论可翻译为：本工作表明，向列相液晶弹性体的反常冲击阻尼可在机械增强的支架架构中得以保留。这一结果并非显然，因为在大多数软阻尼材料中，提高刚度和结构完整性会减少可用于耗散的变形，导致接触时间缩短、力脉冲变锐和回弹增加。而TPU支架在提高机械强度和压缩稳定性的同时，保留了LCE向列相宽而衰减的冲击响应。核心设计原则是结构与耗散功能的分离：支架提供承载连续性、弹性恢复和局部约束，LCE相提供取向耗散。3D金刚石架构最直接地体现了超材料
