侯 燚， 胡文婷， 王 猛， 楊 洪

(東南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 211189)

1 引 言

液晶彈性體(Liquid Crystal Elastomer, LCE)，是液晶聚合物經(jīng)過適度交聯(lián)后，可以在其液晶態(tài)或各向同性態(tài)表現(xiàn)出彈性的一類高分子材料[1-2]。作為一類新型的智能材料，液晶彈性體結(jié)合了彈性體和液晶材料的彈性、各向異性等特點(diǎn)，具有獨(dú)特的雙向形狀記憶功能[3-5]。當(dāng)受到外界條件(熱、光、電、磁、pH、濕度等)刺激時(shí)，液晶彈性體的相態(tài)或分子結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變化，進(jìn)而改變液晶基元的排列順序，導(dǎo)致整個(gè)材料本身發(fā)生一定的宏觀形變(收縮、彎曲、扭曲等)，當(dāng)移除外界刺激后，液晶彈性體又可以恢復(fù)到初始狀態(tài)。這種獨(dú)特的雙向形狀記憶功能使得液晶彈性體在人造肌肉、軟體機(jī)器人等智能仿生材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[6-18]。

近年來，基于光熱轉(zhuǎn)換的光響應(yīng)液晶彈性體逐漸引起科學(xué)家的興趣。在液晶彈性體體系中摻雜光熱轉(zhuǎn)換試劑，在一定波長(zhǎng)的光照射下，光能被光熱轉(zhuǎn)換試劑吸收后，一部分能量以光子的形式釋放，另一部分則轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽挂壕椥泽w的溫度提升到清亮點(diǎn)之上，完成液晶相到各向同性相的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)液晶彈性體的光致形變[19-20]。光熱轉(zhuǎn)換材料的種類較多，其中碳納米管是一種由石墨烯卷成的管狀材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能[21-23]。碳納米管作為一種光熱轉(zhuǎn)換材料，其主要優(yōu)點(diǎn)在于穩(wěn)定的光熱性能，碳納米管在受到激光長(zhǎng)時(shí)間的輻射后，其依然可以保持較好的光熱轉(zhuǎn)換性能，所以碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料是目前刺激-響應(yīng)液晶彈性體領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

Gong和Chen等[24]報(bào)道了首例具有近紅外光響應(yīng)行為的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料，在較低的負(fù)載量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%～0.2%)下，整個(gè)復(fù)合材料能夠在近紅外光照射下實(shí)現(xiàn)大幅度(strain～30%)的可逆收縮形變。Terentjev等[25-26]利用芘基修飾碳納米管，極大地提高了碳納米管在液晶彈性體基體中的溶解度，并制備了一種主鏈型碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料，研究了其對(duì)近紅外光的響應(yīng)行為。Yang等[27]利用兩步交聯(lián)法制備了一種碳納米管/聚硅氧烷偶氮液晶彈性體復(fù)合材料，其在熱/近紅外光刺激下產(chǎn)生完全可逆的二維收縮/伸展形變，在紫外光照射下產(chǎn)生可逆的三維彎曲行為。

目前關(guān)于碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的報(bào)道中，研究者大多重點(diǎn)關(guān)注液晶彈性體的光響應(yīng)行為以及擴(kuò)展液晶彈性體的形變模式及使用場(chǎng)景，但是并未進(jìn)一步系統(tǒng)地研究碳納米管對(duì)液晶彈性體材料力學(xué)性能的影響。液晶彈性體作為一種典型的雙向形狀記憶材料，雖然具有形變大、形變可逆等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在仿生器件、軟機(jī)器人等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，但是其研究一直停留在實(shí)驗(yàn)室層面，并未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，其中主要的原因之一就是液晶彈性體在形變過程中產(chǎn)生的應(yīng)力太小，無法滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的力學(xué)性能需求。因此，研究如何提升液晶彈性體材料的力學(xué)性能，對(duì)液晶彈性體走向?qū)嶋H應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義?；谇叭斯ぷ鳎疚耐ㄟ^在主鏈型液晶彈性體中摻雜單壁碳納米管，制備出一系列不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料，并對(duì)其熱學(xué)、可逆形變及力學(xué)性能等進(jìn)行研究，總結(jié)了碳納米管對(duì)液晶彈性體的力學(xué)性能的影響規(guī)律。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原料和試劑

1,4-雙-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(RM257)，購(gòu)自石家莊斯迪亞諾精細(xì)化工有限公司。3,6-二氧雜-1,8-辛烷二硫醇(EDDET)、季戊四醇四(3-巰基丙酸酯)(PETMP)，購(gòu)自阿拉丁公司。單壁碳納米管(CNT)，購(gòu)自江蘇先豐納米材料科技有限公司。二丙胺(DPA)，購(gòu)自TCI試劑有限公司。二氯甲烷(DCM)、正己烷(NHX)，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

2.2 測(cè)試與表征

傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)：美國(guó)熱電公司Nicolet 5700型。將干燥后的樣品與KBr研磨進(jìn)行壓片，分辨率優(yōu)于0.1 cm-1，波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1。差示掃描量熱儀(DSC)：美國(guó)TA公司DSC-25型。在氮?dú)夥諊?，升溫速率和降溫速率?0 ℃/min，升降溫范圍為-50 ～110 ℃。廣角X射線散射儀(WAXS)：安東帕商貿(mào)有限公司SAXSpoint 2.0型。對(duì)液晶彈性體薄膜進(jìn)行1D-WAXS和2D-WAXS測(cè)試，銅靶X射線密封管，升溫速率和降溫速率為10 ℃/min，使用TCStage控溫臺(tái)調(diào)節(jié)溫度范圍為30 ～110 ℃。掃描電子顯微鏡(SEM)：美國(guó)賽默飛集團(tuán)公司FEI Inspect F50型。動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA)：美國(guó)TA公司DMA-Q800，使用拉伸夾具，拉伸速率為4 mm/min，溫度區(qū)間為30～90 ℃。

2.3 碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的制備

液晶單體RM257、交聯(lián)劑PETMP、擴(kuò)鏈劑EDDET和催化劑DPA的分子結(jié)構(gòu)式如圖1(a)所示，碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的制備流程如圖1(b)所示。稱取376.8 mg(0.64 mmol)的RM257，107.6 mg(0.59 mmol)的EDDET，14.5 mg(0.03 mmol)的PETMP和26.3 mg的單壁碳納米管置于10 mL的菌種瓶中，加入2 mL二氯甲烷后混合均勻，再向上述混合溶液中加入6.0 μL二丙胺，然后超聲5 min分散均勻。將混合溶液倒入到聚四氟乙烯(PTFE)模具(長(zhǎng)3 cm×寬2 cm×深1.5 cm)中，超聲充分除去氣泡后再放置于40 ℃烘箱中反應(yīng)1.5 h以完成預(yù)交聯(lián)反應(yīng)。待冷卻至室溫后，從PTFE模具中小心取出預(yù)交聯(lián)的液晶彈性體薄膜，裁剪成長(zhǎng)條，將其拉伸至原始長(zhǎng)度的240%，兩端用膠帶固定，放在40 ℃烘箱中繼續(xù)反應(yīng)10 h，得到碳納米管/液晶彈性體(CNT-LCE)復(fù)合材料。參照上述方法，通過改變單壁碳納米管的投料量，分別制備了碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，5%，8%，12%的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料。

圖1 (a)液晶單體RM257、擴(kuò)鏈劑EDDET、交聯(lián)劑PETMP及催化劑DPA的分子式；(b)碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的制備流程圖。Fig.1 (a) Molecular structures of the LC acrylate monomer RM257, the chain extender EDDET, the crosslinker PETMP and the catalyst DPA; (b) Schematic illustration of preparing the CNT-LCE composite film.

3 結(jié)果與討論

3.1 碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的紅外譜圖

圖2 液晶單體RM257、交聯(lián)劑PETMP、擴(kuò)鏈劑EDDET、純液晶彈性體薄膜和質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的紅外譜圖。Fig.2 FTIR spectra of the LC monomer RM257, the crosslinker PETMP, the chain extender EDDET, the pure LCE film and the 5% CNTs incorporated LCE composite film.

為了判斷交聯(lián)反應(yīng)是否進(jìn)行完全，我們對(duì)液晶單體RM257、交聯(lián)劑PETMP、擴(kuò)鏈劑EDDET、純液晶彈性體以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料樣品進(jìn)行了紅外譜圖表征。如圖2所示，液晶單體RM257在1 409 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰，為末端碳碳雙鍵的特征峰；擴(kuò)鏈劑EDDET和交聯(lián)劑PETMP均在2 558 cm-1處出現(xiàn)巰基的特征峰，說明擴(kuò)鏈劑EDDET和交聯(lián)劑PETMP均存在巰基。在純液晶彈性體以及碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料樣品的紅外譜圖中，在1 409 cm-1和2 558 cm-1處的屬于碳碳雙鍵和巰基的特征峰均消失不見，表明體系中基于硫烯點(diǎn)擊化學(xué)的交聯(lián)反應(yīng)已完全進(jìn)行。

3.2 碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的表面

為了觀察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的表面微觀結(jié)構(gòu)，我們對(duì)液晶彈性體復(fù)合材料的表面進(jìn)行了掃描電鏡測(cè)試。圖3(a)是純液晶彈性體表面的SEM圖，可以看出純液晶彈性體表面平整光滑，沒有明顯的缺陷存在；從圖3(b)和圖3(c)可以看出，隨著碳納米管的加入，液晶彈性體復(fù)合材料表面的光滑程度降低，并出現(xiàn)一些褶皺現(xiàn)象，但是沒有出現(xiàn)明顯的碳納米管團(tuán)聚現(xiàn)象和缺陷，表明在摻雜量較少的情況下，碳納米管均勻分布在液晶彈性體中，沒有產(chǎn)生大的缺陷；圖3(d)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的表面形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，碳納米管的局部分散性變差，開始出現(xiàn)團(tuán)聚和相分離現(xiàn)象，導(dǎo)致液晶彈性體復(fù)合材料出現(xiàn)缺陷進(jìn)而表面變得粗糙。

圖3 純液晶彈性體(a)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%(b)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%(c)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%(d)的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的表面形貌圖。Fig.3 Surface images of the pure LCE (a), the mass fraction of 5% (b), 8% (c) and 12% (d) CNTs incorporated LCE composite film.

3.3 碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的液晶性質(zhì)

采用DSC、1D-WAXS和2D-WAXS來系統(tǒng)研究了碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的熱學(xué)及液晶性質(zhì)，測(cè)試結(jié)果分別如圖4、圖5所示。圖4(a)是未摻雜碳納米管的液晶彈性體的DSC曲線，在升溫過程中，純液晶彈性體薄膜在-1 ℃處出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變，溫度達(dá)到58 ℃時(shí)發(fā)生液晶相到各向同性相的轉(zhuǎn)變；在降溫過程中，在50 ℃由各向同性相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕B(tài)，降溫到-5 ℃時(shí)，出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變峰。圖4(b)是摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%碳納米管的液晶彈性體復(fù)合材料的DSC曲線，在升溫過程中，碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料在-7 ℃出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變，在69 ℃發(fā)生液晶相到各向同性相的轉(zhuǎn)變；在降溫過程中，在64 ℃由各向同性態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕B(tài)，降溫到-11 ℃時(shí)，出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變峰。圖4(c)是摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%碳納米管的液晶彈性體復(fù)合材料的DSC曲線，在升溫過程中，碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料在-7 ℃出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變，在65 ℃發(fā)生液晶相到各向同性相的轉(zhuǎn)變；在降溫過程中，在59 ℃由各向同性態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕B(tài)，降溫到-11 ℃時(shí)，出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變峰。DSC測(cè)試結(jié)果表明，在升降溫過程中，純液晶彈性體和碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料都具有液晶相，但加入碳納米管會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下降和清亮點(diǎn)溫度上升，進(jìn)而拓寬了其液晶相區(qū)間。

圖4 純液晶彈性體(a)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%(b)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%(c)的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的DSC曲線。Fig.4 DSC curves of the pure LCE film (a), the mass fraction of 5% (b) and 8% (c) CNTs incorporated LCE composite film.

圖6 純液晶彈性體(a)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%(b)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%(c)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%(d)的碳納米管/液晶彈性體在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。Fig.6 Stress-strain curves of the pure LCE(a) , the mass fraction of 5% (b), 8% (c) and 12% (d) CNTs incorporated LCE composite film measured at different temperatures.

3.4 碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的力學(xué)性能

為了系統(tǒng)研究碳納米管及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)液晶彈性體材料力學(xué)性能的影響，我們利用DMA對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料在不同溫度下的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試及分析。從圖6(a)可以看出，不摻雜碳納米管的純液晶彈性體薄膜的斷裂強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而降低。在30 ℃時(shí)，純液晶彈性體的斷裂強(qiáng)度為1.95 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到了150%；在65 ℃(清亮點(diǎn)附近)時(shí)，純液晶彈性體的斷裂強(qiáng)度為0.73 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為67%；在85 ℃(清亮點(diǎn)以上)時(shí)，其斷裂強(qiáng)度為0.69 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為91%。圖6(b)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的碳納米管/液晶彈性體在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖可知，隨著溫度的升高，其斷裂強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在30 ℃時(shí)，其斷裂強(qiáng)度為1.58 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為124%；在65 ℃(清亮點(diǎn)附近)時(shí)，其斷裂強(qiáng)度為0.35 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為208%；在85 ℃(清亮點(diǎn)以上)時(shí)，其斷裂強(qiáng)度0.22 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為222%。圖6(c)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的碳納米管/液晶彈性體在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均有所下降。在30 ℃時(shí)，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度為5.62 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為182%；在65 ℃時(shí)，其斷裂強(qiáng)度為2.31 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為111%；而在85 ℃時(shí)，其斷裂強(qiáng)度為1.62 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為89%。圖6(d)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的碳納米管/液晶彈性體在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，斷裂強(qiáng)度有所下降。在30 ℃時(shí)，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度為2.44 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為196%；在65 ℃時(shí)，其斷裂強(qiáng)度為1.96 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為169%；在85 ℃時(shí)，其斷裂強(qiáng)度為1.098 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為180%。

表1 純液晶彈性體和質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)比

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的力學(xué)性能主要呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，這表明適當(dāng)?shù)膿诫s碳納米管可以有效地增加液晶彈性體的力學(xué)性能，但是摻雜量過高會(huì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能造成損傷。當(dāng)碳納米管摻雜量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%時(shí)，碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的力學(xué)性能最好，與純液晶彈性體的對(duì)比見表1?？梢钥闯觯?0 ℃時(shí)，摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的碳納米管的液晶彈性體復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度是純液晶彈性體薄膜的近3倍，斷裂伸長(zhǎng)率也得以提升；即使在清亮點(diǎn)溫度附近及以上時(shí)，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度仍然達(dá)到純液晶彈性體的3倍左右。綜合前面的測(cè)試數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)報(bào)道[28]，我們認(rèn)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料較純液晶彈性體力學(xué)性能稍微降低的原因，主要是在摻雜少量的碳納米管時(shí)，材料內(nèi)部液晶基元的有序度對(duì)液晶彈性體力學(xué)性能的影響占主要作用，摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的碳納米管減低了液晶彈性體內(nèi)部液晶基元的有序度，導(dǎo)致了碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的力學(xué)性能略低于純液晶彈性體；而隨著碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時(shí)，碳納米管的增強(qiáng)組分作用進(jìn)一步明顯，其對(duì)液晶彈性體復(fù)合材料力學(xué)性能的影響占據(jù)了主導(dǎo)地位，導(dǎo)致了碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的力學(xué)性能增強(qiáng)；隨著碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加至12%時(shí)，碳納米管在液晶彈性體中局部分散性開始變差，出現(xiàn)了較為明顯的團(tuán)聚和相分離，造成了液晶彈性體復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致了碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料力學(xué)性能的下降。

3.5 碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的可逆形變性能

為了驗(yàn)證碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的可逆形變性能，我們?cè)诳販責(zé)崤_(tái)上對(duì)純液晶彈性體和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料進(jìn)行加熱冷卻循環(huán)來比較其形變能力。

圖7 純液晶彈性體(a)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%碳納米管/液晶彈性體復(fù)合樣品(c)在熱刺激下可逆形變；在加熱-冷卻循環(huán)過程中，純液晶彈性體(b)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%碳納米管/液晶彈性體復(fù)合樣品(d)在不同溫度下的形變L/Liso。Fig.7 Reversible thermal-induced shrinking deformation of the pure LCE (a) and the mass fraction of 8% CNTs incorporated LCE composite film (c); Shape deformation L/Lisoof the pure LCE (b) and the 8% CNTs incorporated LCE composite film (d).

圖7(a)是純液晶彈性體在熱刺激下的可逆形變圖?？梢钥闯觯?dāng)溫度升高到100 ℃(清亮點(diǎn)溫度上)時(shí)，純液晶彈性體沿著長(zhǎng)軸方向收縮，其最大收縮率可以通過(L0-Liso)/Liso計(jì)算得到，L0是在室溫下達(dá)到的最大長(zhǎng)度，Liso是各向同性相中達(dá)到的最短長(zhǎng)度，由圖7(a)算得純液晶彈性體的最大收縮率約為49%。圖7(b)是加熱-冷卻循環(huán)中純液晶彈性體長(zhǎng)度與溫度的關(guān)系圖，其中L為薄膜在某一溫度下的長(zhǎng)度，可以看出，在升溫過程中，L/Liso的值在45～75 ℃范圍內(nèi)變化急劇，從1.99降為1.07；在降溫過程中，L/Liso在70～40 ℃溫度范圍，從1.07迅速變?yōu)?.92。從升降溫過程中L/Liso值的變化可以看出，純液晶彈性體在熱刺激下可以實(shí)現(xiàn)可逆的伸縮形變，幾乎可以收縮到初始長(zhǎng)度的1/2。圖7(c)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料在熱刺激下可逆形變的實(shí)物圖。當(dāng)溫度升高到100 ℃(清亮點(diǎn)以上)時(shí)，其沿著長(zhǎng)度方向發(fā)生了收縮形變，其最大收縮率約為45%。從圖7(d)可以看出質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料在升溫過程中，在50～85 ℃范圍內(nèi)L/Liso值迅速由1.83降到1.06；在降溫過程中，在80～35 ℃范圍內(nèi)L/Liso值由1.06快速變化為1.83。結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料在熱刺激下可以實(shí)現(xiàn)可逆的伸縮形變，但是其比純液晶彈性體樣品的可逆收縮形變量略少，這主要是由于碳納米管這種無機(jī)材料剛性較強(qiáng)，在一定程度上限制了液晶彈性體薄膜的收縮形變。

4 結(jié) 論

本文通過摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米管到液晶彈性體中，制備了一系列碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料，并對(duì)其熱學(xué)、液晶性質(zhì)及力學(xué)性能進(jìn)行表征和分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳納米管的摻雜量對(duì)制備的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的力學(xué)性能有明顯影響，隨著摻雜量的增加，液晶彈性體的力學(xué)性能主要表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的碳納米管時(shí)，碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的力學(xué)性能最為優(yōu)異，在30 ℃時(shí)，斷裂強(qiáng)度為5.62 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為182%；在清亮點(diǎn)溫度之上時(shí)，其斷裂強(qiáng)度為1.62 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為89%。相對(duì)于純液晶彈性體薄膜材料而言，質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的碳納米管/液晶彈性體復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度是純液晶彈性體的3倍，且可以實(shí)現(xiàn)最大收縮率為45%的可逆伸縮形變，在人造肌肉、軟體機(jī)器人等方面表現(xiàn)出有良好的應(yīng)用前景。