CAREER: Multiphysics Mechanics of Magnetic Shape Memory Polymers

职业:磁性形状记忆聚合物的多物理力学

基本信息

  • 批准号:
    1943070
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 54.65万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-03-01 至 2021-10-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This Faculty Early Career Development Program (CAREER) grant investigates multiple physical behaviors of magnetic shape memory polymers. The shape memory effect refers to the ability of a material to remember and recover a pre-programmed shape in response to a combination of magnetic and mechanical fields. These materials are composites with embedded magnetic particles in shape memory polymer matrices. They utilize superposed alternating and direct magnetic fields to regulate the stiffness and shape changing actuation of the materials. They combine untethered fast and reversible transformation, shape-locking ability, and reprogrammability in one material system and have potential applications in soft robots, flexible electronics, and biomedical devices for minimum invasive surgery. However, the complicated magneto-thermo-viscoelastic behaviors of these materials make the design of applications using these materials very challenging. The success of this work will lead to a systematic understanding of the magnetic shape memory polymer, a material model to describe the magneto-thermo-viscoelastic behavior and a multiphysics simulation platform to accelerate the design of applications. This work will provide hands-on interactive multi-disciplinary research experience for middle and high school students through 3D Printed Magnetically Actuated Soft Robots. This work will also demonstrate material research to K-12 students and the general public through the local Science and Industry Science Festival and the Ohio State University STEAM factory Franklinton Friday Events. Soft active materials are widely used but have limitations such as slow actuation speed, irreversible actuation, or no shape-locking. Magnetic shape memory polymers overcome these limitations by integrating rapid magnetic actuation with shape memory effects in polymers. These materials use the alternative current magnetic field to control the temperature and the direct current magnetic field to actuate the materials. The coupling of magnetic actuation with thermoviscoelastic material behavior demands intensive fundamental mechanics research. This CAREER award will provide new understandings on how the interactions among magnetic particles and magnetic particles-polymer matrix can alter the thermoviscoelastic and shape memory behavior of a polymer. These understandings will enable the establishment of a thermodynamic framework for magneto-thermo-viscoelastic solids. The new framework can provide a clear description of the complicated multiphysics processes and guide the development of a new constitutive model for magneto-thermo-viscoelastic solids. The new constitutive model will be implemented into finite element analysis to simulate the magnetic and thermal actuation of magnetic shape memory polymers with complicated geometry and complicated loading conditions.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该教师早期职业发展计划(CAREER)资助研究了磁性形状记忆聚合物的多种物理行为。 形状记忆效应是指材料响应磁场和机械场的组合而记住并恢复预编程形状的能力。 这些材料是在形状记忆聚合物基质中嵌入磁性颗粒的复合材料。他们利用叠加的交变和直接磁场来调节材料的刚度和形状变化驱动。它们将不受束缚的快速可逆转换、形状锁定能力和可重编程性结合在一种材料系统中,并在软机器人、柔性电子设备和微创手术生物医学设备中具有潜在应用。然而,这些材料复杂的磁热粘弹性行为使得使用这些材料的应用设计非常具有挑战性。这项工作的成功将带来对磁性形状记忆聚合物、描述磁热粘弹性行为的材料模型以及加速应用设计的多物理场仿真平台的系统理解。这项工作将通过 3D 打印磁驱动软机器人为中学生和高中生提供动手互动的多学科研究经验。这项工作还将通过当地的科学与工业科学节和俄亥俄州立大学 STEAM 工厂富兰克林顿星期五活动向 K-12 学生和公众展示材料研究。软活性材料被广泛使用,但存在诸如驱动速度慢、不可逆驱动或无形状锁定等局限性。磁性形状记忆聚合物通过将快速磁驱动与聚合物中的形状记忆效应相结合,克服了这些限制。这些材料使用交流磁场来控制温度,并使用直流磁场来驱动材料。磁驱动与热粘弹性材料行为的耦合需要深入的基础力学研究。该职业奖将为磁性颗粒和磁性颗粒-聚合物基质之间的相互作用如何改变聚合物的热粘弹性和形状记忆行为提供新的理解。这些理解将使建立磁热粘弹性固体的热力学框架成为可能。新框架可以清晰地描述复杂的多物理过程,并指导磁热粘弹性固体新本构模型的开发。新的本构模型将被应用到有限元分析中,以模拟具有复杂几何形状和复杂载荷条件的磁性形状记忆聚合物的磁和热驱动。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力评估进行评估,认为值得支持。优点和更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Evolutionary Algorithm‐Guided Voxel‐Encoding Printing of Functional Hard‐Magnetic Soft Active Materials
进化算法——引导体素——功能性硬磁性软活性材料的编码打印
  • DOI:
    10.1002/aisy.202000060
  • 发表时间:
    2020-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    Wu, Shuai;Hamel, Craig M.;Ze, Qiji;Yang, Fengyuan;Qi, H. Jerry;Zhao, Ruike
  • 通讯作者:
    Zhao, Ruike
Micromechanics Study on Actuation Efficiency of Hard-Magnetic Soft Active Materials
硬磁软活性材料驱动效率的微观力学研究
  • DOI:
    10.1115/1.4047291
  • 发表时间:
    2020-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Zhang, Rundong;Wu, Shuai;Ze, Qiji;Zhao, Ruike
  • 通讯作者:
    Zhao, Ruike
Untethered control of functional origami microrobots with distributed actuation
通过分布式驱动对功能性折纸微型机器人进行不受束缚的控制
Multifunctional magnetic soft composites: a review
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  • DOI:
    10.1088/2399-7532/abcb0c
  • 发表时间:
    2020-12-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Wu S;Hu W;Ze Q;Sitti M;Zhao R
  • 通讯作者:
    Zhao R
Magneto‐Mechanical Metamaterials with Widely Tunable Mechanical Properties and Acoustic Bandgaps
具有广泛可调的机械性能和声学带隙的磁机械超材料
  • DOI:
    10.1002/adfm.202005319
  • 发表时间:
    2020-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    19
  • 作者:
    Montgomery, S. Macrae;Wu, Shuai;Kuang, Xiao;Armstrong, Connor D.;Zemelka, Cole;Ze, Qiji;Zhang, Rundong;Zhao, Ruike;Qi, H. Jerry
  • 通讯作者:
    Qi, H. Jerry
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  • 作者:
    Xiaohao Sun;Luxia Yu;Liang Yue;Kun Zhou;Frédéric Demoly;Ruike Renee Zhao;H. J. Qi
  • 通讯作者:
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  • 发表时间:
    2023-11-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Lu Lu;Jay Sim;Ruike Renee Zhao
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  • DOI:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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