CAREER: Electro-Mechanical Behaviors of Soft Conductive Composites Embedded with Liquid Metal Fiber Networks

职业:嵌入液态金属纤维网络的软导电复合材料的机电行为

基本信息

  • 批准号:
    2143297
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 56.53万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-06-01 至 2027-05-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This Faculty Early Career Development (CAREER) grant will support fundamental research on the electro-mechanical behaviors of liquid metal fiber network composites. This new paradigm of soft conductive composites is super-stretchable, highly conductive, lightweight, and low cost due to its unique microstructural architectures. Therefore, such liquid metal fiber network composites will greatly benefit the flexible electronics industry in the USA and will have other important technological applications such as soft sensors and actuators, soft robotics, energy harvesters, etc. This research will first provide characterization and better understanding of the microstructural evolution and electro-mechanical behaviors of liquid metal fiber network composites under large deformation. Such new knowledge is critical to the microstructural design, material processing, and engineering analysis of liquid metal fiber network composites for future engineering applications. The integration of research and education will focus on student training and industry engagement to educate more engineers doing research and design for liquid metal materials. The education and outreach program will offer interactive and hands-on activities for K-12 and undergraduate students to invent their own soft electronics. Other key education objectives involve developing a new curriculum, hosting online webinars, and maintaining a webpage for liquid metal materials. The specific goal of the research is to discover the influence of network geometry on electro-mechanical behaviors of liquid metal fiber network composites. An integrated experimental-theoretical-computational approach will be employed to uncover the network geometry evolution under extremely large deformation, characterize electro-mechanical behaviors across fiber and network scales, and establish a multiphysics constitutive modeling framework considering material anisotropy and non-affinity. The effects of microstructural architectures, fiber and junction morphologies, and mechanical deformation on the network geometry evolution and electro-mechanical behaviors of liquid metal fiber network composites will be elucidated and modeled. The researched constitutive models and computational micromechanics models will be verified by various experimental techniques involving micro- and nano-computed tomography imaging, in-situ network geometry tracking, and synchronized electro-mechanical testing. Liquid metal fiber network composites with different microstructural architectures will be fabricated and characterized using techniques uniquely developed by the PI. The researched theoretical models, simulation tools, and experimental methodology will be applicable to a broad class of soft conductive composites.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.
这项教师早期职业发展(职业)赠款将支持液态金属纤维网络复合材料的电力行为的基本研究。由于其独特的微结构架构,这种新的软导电复合材料的新范式是可超级扳手,高电导性,轻巧和低成本的。 因此,这种液态金属纤维网络复合材料将极大地使美国的灵活电子行业受益匪浅,并将具有其他重要的技术应用,例如软传感器和执行器,软机器人,能量收割机等。这项研究首先将提供表征,并更好地理解微观结构的进化和液态金属纤维网络综合型在大型下降剂的液体机械行为。这种新知识对于用于未来工程应用的液体金属纤维网络复合材料的微观结构设计,材料处理和工程分析至关重要。研究和教育的整合将专注于学生培训和行业参与,以教育更多的工程师为液态金属材料进行研究和设计。教育和外展计划将为K-12和本科生发明自己的软电子产品提供互动和实践活动。其他关键的教育目标涉及开发新的课程,托管在线网络研讨会以及维护液态金属材料的网页。 该研究的具体目标是发现网络几何形状对液态金属纤维网络复合材料的电力行为的影响。将采用集成的实验理论计算方法来揭示在极大的变形下,在跨纤维和网络尺度上表征电力机械行为的网络几何发展,并在考虑材料各向异性和不合可能的材料各种模型框架上建立多个物理的本构成建模框架。微观结构,纤维和连接形态以及机械变形对液态金属纤维网络复合材料的网络几何发展和电力机械行为的影响将得到阐明和建模。研究的本构模型和计算微力学模型将通过涉及微型和纳米计算的层析成像成像,原位网络几何跟踪以及同步的电力测试的各种实验技术进行验证。使用PI独特开发的技术制造和表征具有不同微结构的液态金属纤维网络复合材料。研究的理论模型,仿真工具和实验方法将适用于广泛的软导电复合材料。该奖项反映了NSF的法定任务,并认为使用基金会的知识分子和更广泛的影响评估标准,认为值得通过评估来支持。

项目成果

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  • 期刊:
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  • 通讯作者:
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