液体金属エラストマー複合材料の平均フィールド均質化：コアシェル包含の比較研究と正確希釈溶液

液体金属エラストマー複合材料（LMEC）は、マイクロメートルからナノメートルまでの範囲の包含サイズを備えた、さまざまな機能的伸縮性デバイスでの潜在的な用途に大きな注意を集めています。これらの複合材料は、高電気誘電率や熱伝導率などの例外的な特性を示し、エラストマーマトリックスの特性を超えるため、材料の伸縮性を損なうことなく、より広範な用途を可能にします。LMECの多様な効果的な弾性および機能的特性を調査するために、Eshelbyの包含ソリューションに基づくマイクロメカニクスベースの均質化方法は非常に貴重です。ただし、LMECの位相間の弾性定数の極端なコントラスト、特に包含物の周りにかなりの量の硬い金属酸化物が形成されるナノサイズの包含物の場合、不十分な均質化アプローチが採用されている場合、効果的な特性の予測に重大な障害につながる可能性があります。この研究では、コアシェル形態を伴うLMECに適用可能な複数の平均フィールド均質化アプローチ、すなわち：（i）多相、（ii）シーケンシャル、（iii）擬似穀物、および（iv）直接的なアプローチを提示します。数値均質化の結果に対して評価され、報告された実験データと比較された、効果的な弾性、熱、および誘電特性に関するモデルの精度を比較します。具体的には、LMECのマイクロメカニクスでフィールドを正確にキャプチャすることの重要性を強調し、希釈コアシェル包含の正確なフィールドソリューションを利用した均質化スキームを強調します。さらに、広く利用されている間期モデルがコアシェルの形態を適切に解決できず、したがって避けるべきであることを実証します。この包括的な評価は、効果的な特性を正確に予測して高度なLMECを設計するための適切な均質化戦略に関する重要な洞察を提供します。

Liquid metal-elastomer composites (LMECs) have gathered significant attention for their potential applications in various functional stretchable devices, with inclusion sizes ranging from micrometers to nanometers. These composites exhibit exceptional properties, such as high electric permittivity and thermal conductivity, surpassing those of the elastomer matrix, thus enabling a broader range of applications without compromising the material's stretchability. To investigate the diverse effective elastic and functional properties of LMECs, micromechanics-based homogenization method based on Eshelby's inclusion solution are invaluable. However, the extreme contrast in elastic constants among the phases in LMECs, particularly for nanosized inclusions where a considerable amount of stiff metal oxide forms around the inclusions, can lead to critical failure in predicting effective properties if inadequate homogenization approach is employed. In this study, we present multiple mean-field homogenization approaches applicable to LMECs with core-shell morphology, namely: (i) multi-phase, (ii) sequential, (iii) pseudo-grain, and (iv) direct approaches. We compare the accuracy of the models concerning effective elastic, thermal, and dielectric properties, evaluated against numerical homogenization results and compared with reported experimental data. Specifically, we highlight homogenization scheme utilizing exact field solutions of dilute core-shell inclusion, emphasizing the importance of accurately capturing the field in the micromechanics of LMECs. Furthermore, we demonstrate that widely utilized interphase model could not properly resolve the core-shell morphology and thus should be avoided. This comprehensive assessment provides critical insights into the proper homogenization strategies for designing advanced LMECs with precise prediction of effective properties.