一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)的不斷探索中，新型智能材料的研發(fā)一直是備受矚目的焦點(diǎn)。液晶彈性體（LiquidCrystallineElastomers，LCEs）作為一種融合了液晶有序性和彈性體柔韌性的智能高分子材料，在外界刺激下展現(xiàn)出獨(dú)特的可逆宏觀形狀變化特性，在人工肌肉、柔性機(jī)器人、智能表面等領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。例如，在柔性機(jī)器人領(lǐng)域，液晶彈性體可作為驅(qū)動部件，使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更加靈活、仿生的運(yùn)動；在智能表面領(lǐng)域，其可根據(jù)環(huán)境變化改變表面形態(tài)，實(shí)現(xiàn)諸如自清潔、自適應(yīng)光學(xué)等功能。然而，傳統(tǒng)液晶彈性體存在力學(xué)強(qiáng)度欠佳、致動應(yīng)力低以及響應(yīng)方式較為單一（主要為熱響應(yīng)）等問題，這些短板嚴(yán)重制約了其在更多高端領(lǐng)域的深入應(yīng)用和性能發(fā)揮。碳納米管（CarbonNanotubes，CNTs）自被發(fā)現(xiàn)以來，因其獨(dú)特的一維納米結(jié)構(gòu)而具備優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能，成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在微觀尺度下，單根碳納米管的拉伸強(qiáng)度可達(dá)200GPa，是碳素鋼的100倍，而密度卻只有鋼的1/7-1/6，彈性模量是鋼的5倍，這種高強(qiáng)度、低密度的特性使其在增強(qiáng)材料力學(xué)性能方面具有巨大潛力。同時，碳納米管的電導(dǎo)率可以達(dá)到108S?m-1，具有比銅高兩個數(shù)量級的載流能力，在電學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢；其熱導(dǎo)率高達(dá)6000W?m-1?K-1，能夠高效地傳遞熱量，在熱管理等領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用價(jià)值。此外，碳納米管還具有良好的光吸收性，尤其是對近紅外激光的高效吸收能力，為其在光響應(yīng)材料中的應(yīng)用提供了可能。將碳納米管引入液晶彈性體中，制備本征型碳納米管液晶彈性體（IntrinsicCarbonNanotubeLiquidCrystallineElastomers，CNT/LCEs），有望實(shí)現(xiàn)兩者優(yōu)勢的協(xié)同互補(bǔ)。碳納米管的高強(qiáng)度可以有效增強(qiáng)液晶彈性體的力學(xué)性能，改善其力學(xué)強(qiáng)度不佳的問題；其高導(dǎo)熱性和良好的光吸收性，能夠賦予液晶彈性體更高效的能量轉(zhuǎn)換和傳輸能力，拓寬其響應(yīng)方式，例如實(shí)現(xiàn)高效的光熱響應(yīng)，從而提高致動應(yīng)力和響應(yīng)速度。這種新型復(fù)合材料在智能材料領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的研究價(jià)值和巨大的應(yīng)用潛力。在航空航天領(lǐng)域，對于輕質(zhì)、高強(qiáng)度且具有智能響應(yīng)特性的材料需求極為迫切。本征型碳納米管液晶彈性體可以用于制造飛行器的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)部件，根據(jù)飛行環(huán)境的變化自動調(diào)整形狀，優(yōu)化空氣動力學(xué)性能，降低能耗；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于開發(fā)新型的生物傳感器和藥物輸送系統(tǒng)，利用其對生物分子或環(huán)境因素的響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的生物檢測和靶向藥物釋放；在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中，其可作為微驅(qū)動器的關(guān)鍵材料，實(shí)現(xiàn)微小尺寸下的高精度運(yùn)動控制，推動MEMS技術(shù)向更高性能、更智能化方向發(fā)展。本征型碳納米管液晶彈性體的研究不僅有助于解決傳統(tǒng)液晶彈性體存在的問題，還為智能材料的發(fā)展開辟了新的方向，對于推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新具有重要意義。通過深入研究其制備方法、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，能夠?yàn)槠鋵?shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，進(jìn)一步拓展其在各個前沿領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀液晶彈性體的研究歷史可追溯到20世紀(jì)70年代，德國科學(xué)家Finkelmann首次成功合成了液晶彈性體，為這一領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。早期的研究主要集中在探索液晶彈性體的合成方法和基礎(chǔ)性能表征上。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，對液晶彈性體的研究逐漸深入，包括其微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系、響應(yīng)特性的優(yōu)化以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用探索等。在碳納米管增強(qiáng)液晶彈性體的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量富有成效的工作。在制備方法上，共價(jià)鍵修飾法是常用的手段之一。鄭州大學(xué)的劉旭影教授團(tuán)隊(duì)通過Finkelmann兩步交聯(lián)工藝，利用醇-酰氯反應(yīng)將多壁碳納米管（MWNTs）進(jìn)行功能化修飾后，引入液晶彈性體網(wǎng)絡(luò)中。這種方法通過共價(jià)鍵相互作用，使碳納米管與液晶彈性體基體之間形成強(qiáng)結(jié)合力，有效解決了碳納米管在基體中分散不均勻的問題。從微觀結(jié)構(gòu)來看，在透射電子顯微鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM）下可以觀察到，功能化后的碳納米管在液晶彈性體基體中均勻分散且高度取向。在力學(xué)性能方面，與純液晶彈性體相比，該方法制備的本征型碳納米管液晶彈性體的拉伸強(qiáng)度得到顯著提升，沿取向方向的拉伸強(qiáng)度可達(dá)13.89MPa，相較于純液晶彈性體提高了420%，垂直方向也提高了530%，這表明共價(jià)鍵修飾法在增強(qiáng)材料力學(xué)性能方面具有顯著效果。非共價(jià)鍵修飾法也是研究的熱點(diǎn)之一。有研究采用物理共混的方式，將碳納米管與液晶彈性體的前驅(qū)體混合，通過超聲分散等手段實(shí)現(xiàn)碳納米管在基體中的分散。這種方法操作相對簡單，但由于碳納米管與液晶彈性體之間僅通過較弱的物理相互作用結(jié)合，在復(fù)合材料的性能提升上存在一定局限性。在分散性方面，雖然超聲等手段能在一定程度上改善碳納米管的分散，但難以達(dá)到共價(jià)鍵修飾法那樣的均勻分散程度，在掃描電子顯微鏡（SEM）下仍可觀察到部分碳納米管的團(tuán)聚現(xiàn)象。在力學(xué)性能提升上，相較于共價(jià)鍵修飾法制備的復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能的提升幅度相對較小。在性能研究方面，國內(nèi)外學(xué)者對本征型碳納米管液晶彈性體的力學(xué)性能、熱性能和光響應(yīng)性能等進(jìn)行了深入研究。在力學(xué)性能方面，除了上述提到的拉伸強(qiáng)度的提升，研究還發(fā)現(xiàn)碳納米管的加入可以顯著提高液晶彈性體的彈性模量。例如，通過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，添加適量碳納米管的液晶彈性體，其彈性模量相較于純液晶彈性體提高了數(shù)倍，這使得材料在承受外力時能夠更好地保持形狀穩(wěn)定性，減少變形。在熱性能方面，碳納米管的高導(dǎo)熱性賦予了復(fù)合材料更優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能。差示掃描量熱法（DSC）分析表明，本征型碳納米管液晶彈性體的熱擴(kuò)散系數(shù)明顯高于純液晶彈性體，這意味著在相同的溫度變化條件下，復(fù)合材料能夠更快速地傳遞熱量，實(shí)現(xiàn)更高效的熱響應(yīng)。在光響應(yīng)性能方面，碳納米管對近紅外光的高效吸收能力使得復(fù)合材料在近紅外光照射下能夠迅速產(chǎn)生溫度變化，進(jìn)而引發(fā)液晶彈性體的相變，實(shí)現(xiàn)宏觀形狀的快速改變。研究表明，通過優(yōu)化碳納米管的含量和分散狀態(tài)，可以使復(fù)合材料在較低功率的近紅外光照射下，在短時間內(nèi)產(chǎn)生明顯的形狀變化，響應(yīng)速度相較于傳統(tǒng)液晶彈性體有了大幅提升。盡管國內(nèi)外在本征型碳納米管液晶彈性體的研究上取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。在制備過程中，如何精確控制碳納米管在液晶彈性體基體中的分散和取向，仍然是一個亟待解決的難題。目前的方法雖然在一定程度上改善了這一問題，但在大規(guī)模制備和工業(yè)化應(yīng)用中，還需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝，以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更高效的制備過程。在性能方面，雖然復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱性能和光響應(yīng)性能等有了顯著提升，但與實(shí)際應(yīng)用的需求相比，仍有一定的差距。例如，在一些對力學(xué)性能要求極高的航空航天領(lǐng)域，目前復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性還不能完全滿足要求；在光響應(yīng)性能方面，如何進(jìn)一步提高光熱轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)更快速、更精確的響應(yīng)，也是需要深入研究的方向。此外，對于本征型碳納米管液晶彈性體在復(fù)雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性和可靠性研究還相對較少，這對于其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣具有重要影響，需要進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)方面的研究。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞本征型碳納米管液晶彈性體展開，涵蓋制備方法探索、性能全面測試以及應(yīng)用領(lǐng)域探索等多個關(guān)鍵方面。在制備方法研究上，深入探究共價(jià)鍵修飾法和非共價(jià)鍵修飾法。對于共價(jià)鍵修飾法，以羥基化碳納米管為基礎(chǔ)，選用10-十一碳烯酰氯和丙烯酰氯作為修飾基團(tuán)物質(zhì)，嚴(yán)格控制碳納米管的活性基團(tuán)、修飾基團(tuán)物質(zhì)和催化劑的摩爾比為1∶10∶10，在保護(hù)氣體氛圍下，依次經(jīng)過超聲分散碳納米管、緩慢滴加催化劑、滴加修飾基團(tuán)物質(zhì)進(jìn)行攪拌反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后通過離心、抽濾、洗滌、干燥等步驟，得到功能化碳納米管。將功能化碳納米管與液晶基元rm82、光引發(fā)劑、交聯(lián)劑四(3-巰基丙酸)二季戊四醇酯、間隔基1,10-癸二硫醇以及催化劑充分混合，采用基于硫醇-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)的經(jīng)典Finkelmann兩步交聯(lián)工藝，制備本征型碳納米管液晶彈性體。在第一步交聯(lián)中，控制反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時間為12h，形成輕度交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)；第二步在單軸拉伸條件下，于紫外光照射下進(jìn)行交聯(lián)固化，精確控制拉伸速率為0.5mm/min，紫外光強(qiáng)度為50mW/cm2，固化時間為30min，從而得到高度取向的單疇本征型碳納米管液晶彈性體。對于非共價(jià)鍵修飾法，將碳納米管與液晶彈性體的前驅(qū)體在甲苯溶劑中混合，利用功率為200W的超聲設(shè)備進(jìn)行超聲分散30min，隨后進(jìn)行溶液澆鑄和熱固化處理，熱固化溫度為80℃，時間為24h，制備本征型碳納米管液晶彈性體。通過改變碳納米管的含量（分別設(shè)置為0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%、2.0wt%），系統(tǒng)研究不同含量對復(fù)合材料性能的影響規(guī)律。在性能測試方面，運(yùn)用多種先進(jìn)的分析測試技術(shù)對本征型碳納米管液晶彈性體的力學(xué)性能、熱性能和光響應(yīng)性能進(jìn)行全面深入的表征。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，按照標(biāo)準(zhǔn)測試方法ASTMD638-14，在拉伸速率為5mm/min的條件下，測試材料沿取向方向和垂直取向方向的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長率；利用動態(tài)力學(xué)分析儀（DMA），在溫度范圍為-50℃至150℃，升溫速率為5℃/min，頻率為1Hz的條件下，分析材料的動態(tài)力學(xué)性能，獲取儲能模量、損耗模量和損耗因子等參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。使用差示掃描量熱儀（DSC），在氮?dú)鈿夥障?，?0℃/min的升溫速率，測定材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、清亮點(diǎn)溫度（TNI）以及相變焓等熱性能參數(shù)；借助熱重分析儀（TGA），在氮?dú)鈿夥障?，?0℃/min的升溫速率從室溫升至800℃，研究材料的熱穩(wěn)定性和熱分解行為。利用紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)，測量材料在200-2500nm波長范圍內(nèi)的光吸收特性；采用近紅外激光器作為光源，功率密度范圍為0.1-1.0W/cm2，照射本征型碳納米管液晶彈性體樣品，使用紅外熱像儀實(shí)時監(jiān)測樣品表面的溫度變化，結(jié)合熱成像分析軟件，獲取溫度分布和升溫速率等信息；通過光學(xué)顯微鏡和高速攝像機(jī)，觀察并記錄材料在近紅外光照射下的形狀變化過程，精確測量變形速率和致動應(yīng)力等參數(shù)，深入研究材料的光響應(yīng)性能。在應(yīng)用探索方面，將本征型碳納米管液晶彈性體應(yīng)用于智能仿生機(jī)器人領(lǐng)域，設(shè)計(jì)并制作基于本征型碳納米管液晶彈性體的蛇形機(jī)器人和人造肌肉模型。對于蛇形機(jī)器人，利用3D打印技術(shù)制作機(jī)器人的骨架結(jié)構(gòu)，將本征型碳納米管液晶彈性體作為驅(qū)動部件，通過控制近紅外光的照射位置和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的直線爬行和轉(zhuǎn)向運(yùn)動，研究其運(yùn)動速度、靈活性和負(fù)載能力等性能指標(biāo)；對于人造肌肉模型，模擬人體肌肉的結(jié)構(gòu)和功能，將本征型碳納米管液晶彈性體與柔性電極相結(jié)合，構(gòu)建人工肌肉系統(tǒng)，通過電信號和光信號的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)肌肉的收縮和舒張運(yùn)動，測試其輸出力、響應(yīng)時間和疲勞壽命等性能參數(shù)，評估其在生物醫(yī)學(xué)和康復(fù)工程領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。同時，探索本征型碳納米管液晶彈性體在智能傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，制備基于本征型碳納米管液晶彈性體的應(yīng)力傳感器和溫度傳感器。對于應(yīng)力傳感器，利用材料在受力時電阻和形狀的變化特性，將本征型碳納米管液晶彈性體與導(dǎo)電材料復(fù)合，構(gòu)建電阻式應(yīng)力傳感器，通過拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)，測試傳感器的靈敏度、線性度和重復(fù)性等性能指標(biāo)；對于溫度傳感器，基于材料的熱致相變特性，將本征型碳納米管液晶彈性體與溫度敏感材料結(jié)合，制作溫度傳感器，在不同溫度環(huán)境下，測量傳感器的輸出信號，研究其溫度響應(yīng)特性和測量精度，為其在智能監(jiān)測和控制領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、表征分析和理論分析等多種方法，深入開展本征型碳納米管液晶彈性體的研究工作。在實(shí)驗(yàn)研究方面，精心設(shè)計(jì)并嚴(yán)格實(shí)施一系列實(shí)驗(yàn)。在制備實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)既定的實(shí)驗(yàn)方案，精確控制各種原材料的用量和反應(yīng)條件，嚴(yán)格按照操作步驟進(jìn)行合成和制備。在共價(jià)鍵修飾法制備實(shí)驗(yàn)中，對碳納米管的功能化修飾過程進(jìn)行精細(xì)控制，確保修飾反應(yīng)的充分進(jìn)行和修飾基團(tuán)的均勻接枝；在Finkelmann兩步交聯(lián)工藝中，精確調(diào)控每一步的反應(yīng)溫度、時間、拉伸速率和紫外光強(qiáng)度等參數(shù)，以獲得性能優(yōu)異的本征型碳納米管液晶彈性體。在非共價(jià)鍵修飾法制備實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)格控制超聲分散的功率、時間以及熱固化的溫度和時間等條件，確保碳納米管在液晶彈性體基體中的均勻分散。在性能測試實(shí)驗(yàn)中，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使用專業(yè)的測試設(shè)備對材料的力學(xué)性能、熱性能和光響應(yīng)性能進(jìn)行準(zhǔn)確測量。在力學(xué)性能測試中，嚴(yán)格按照萬能材料試驗(yàn)機(jī)和動態(tài)力學(xué)分析儀的操作規(guī)程進(jìn)行測試，確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；在熱性能測試中，精確控制差示掃描量熱儀和熱重分析儀的實(shí)驗(yàn)條件，保證測試結(jié)果的精度；在光響應(yīng)性能測試中，合理設(shè)置近紅外激光器的功率密度、照射時間以及紅外熱像儀的參數(shù)，確保能夠準(zhǔn)確獲取材料的光響應(yīng)特性數(shù)據(jù)。在表征分析方面，充分利用多種先進(jìn)的分析測試技術(shù)對材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行全面深入的表征。利用掃描電子顯微鏡（SEM），在加速電壓為15kV的條件下，觀察材料的表面形貌和碳納米管在基體中的分散情況；通過透射電子顯微鏡（TEM），在加速電壓為200kV的條件下，進(jìn)一步分析碳納米管與液晶彈性體之間的界面結(jié)合情況；借助原子力顯微鏡（AFM），在輕敲模式下，研究材料的表面粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)特征。使用偏光顯微鏡（POM），在正交偏光條件下，觀察材料的液晶織構(gòu)和相轉(zhuǎn)變行為；通過X射線衍射儀（XRD），在掃描角度范圍為5°-80°，掃描速率為0.02°/s的條件下，分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和取向情況；利用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR），在波數(shù)范圍為400-4000cm?1的條件下，對材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)進(jìn)行分析。在理論分析方面，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和表征結(jié)果，運(yùn)用相關(guān)的理論模型和計(jì)算方法對材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系進(jìn)行深入分析和探討。利用分子動力學(xué)模擬方法，建立本征型碳納米管液晶彈性體的分子模型，模擬碳納米管在液晶彈性體基體中的分散和取向行為，以及材料在受力、受熱和光照等外部刺激下的分子運(yùn)動和結(jié)構(gòu)變化，從分子層面揭示材料性能的內(nèi)在機(jī)制；通過量子力學(xué)計(jì)算方法，研究碳納米管與液晶彈性體之間的相互作用能和電子云分布情況，深入分析它們之間的界面結(jié)合本質(zhì)；運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，建立材料性能與制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系模型，為材料的性能優(yōu)化和制備工藝改進(jìn)提供理論依據(jù)。二、本征型碳納米管液晶彈性體的制備2.1原材料選擇在本征型碳納米管液晶彈性體的制備過程中，原材料的選擇至關(guān)重要，其種類和特性直接影響著最終材料的性能。本研究選用的原材料主要包括碳納米管、液晶基元、交聯(lián)劑、間隔基、催化劑和光引發(fā)劑等，以下將詳細(xì)闡述各類原材料的選擇依據(jù)及特性。碳納米管作為關(guān)鍵增強(qiáng)相，其性能對復(fù)合材料的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能起著決定性作用。本研究選用羥基化碳納米管，相較于原始碳納米管，羥基化處理在其表面引入了大量羥基活性基團(tuán)。這些羥基基團(tuán)的存在顯著改善了碳納米管的表面性質(zhì)，使其親水性大幅提高，從而在極性溶劑中具有更好的分散穩(wěn)定性，避免了在復(fù)合材料制備過程中因團(tuán)聚而導(dǎo)致的性能不均問題。同時，羥基活性基團(tuán)為后續(xù)的共價(jià)鍵修飾反應(yīng)提供了豐富的反應(yīng)位點(diǎn)，有利于通過化學(xué)反應(yīng)將修飾基團(tuán)接枝到碳納米管表面，實(shí)現(xiàn)與液晶彈性體基體的強(qiáng)相互作用，增強(qiáng)界面結(jié)合力，進(jìn)而有效提升復(fù)合材料的力學(xué)性能。液晶基元是賦予材料液晶特性的核心成分，其分子結(jié)構(gòu)和性能直接決定了液晶彈性體的相轉(zhuǎn)變溫度、液晶織構(gòu)和取向特性等。rm82液晶基元因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和良好的液晶性能被本研究選用。rm82分子中含有剛性的液晶核心結(jié)構(gòu)，兩端連接著柔性的烷基鏈，這種剛?cè)岵?jì)的結(jié)構(gòu)使其在一定溫度范圍內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的液晶相。在液晶相態(tài)下，rm82分子能夠沿特定方向有序排列，形成高度取向的液晶織構(gòu)。這種取向特性賦予了液晶彈性體在外界刺激下發(fā)生可逆形狀變化的能力，是實(shí)現(xiàn)其智能響應(yīng)功能的關(guān)鍵因素。同時，rm82液晶基元與其他原材料具有良好的相容性，能夠在復(fù)合材料體系中均勻分散，為構(gòu)建穩(wěn)定的液晶彈性體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。交聯(lián)劑在液晶彈性體的制備過程中起著構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用，其種類和用量直接影響著材料的交聯(lián)密度和力學(xué)性能。四(3-巰基丙酸)二季戊四醇酯因其含有多個巰基官能團(tuán)，在催化劑的作用下能夠與液晶基元、間隔基以及功能化碳納米管上的活性基團(tuán)發(fā)生硫醇-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，形成高密度的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這種交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)賦予了液晶彈性體良好的彈性和形狀記憶特性，使其在受力變形后能夠迅速恢復(fù)到初始形狀。同時，通過調(diào)節(jié)交聯(lián)劑的用量，可以精確控制材料的交聯(lián)密度，從而實(shí)現(xiàn)對材料力學(xué)性能的調(diào)控。較高的交聯(lián)密度可使材料具有更高的強(qiáng)度和模量，但可能會降低其柔韌性和斷裂伸長率；相反，較低的交聯(lián)密度則可提高材料的柔韌性，但可能會導(dǎo)致強(qiáng)度和模量下降。間隔基在液晶彈性體網(wǎng)絡(luò)中起到調(diào)節(jié)分子間距和柔韌性的作用，其分子結(jié)構(gòu)和長度對材料的性能有著重要影響。1,10-癸二硫醇作為間隔基，其分子鏈具有一定的長度和柔性。在液晶彈性體網(wǎng)絡(luò)中，1,10-癸二硫醇分子能夠連接在液晶基元和交聯(lián)劑之間，增加分子間的距離，降低分子間的相互作用力，從而提高材料的柔韌性和可加工性。同時，其柔性分子鏈還能夠在一定程度上緩沖外界應(yīng)力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致材料的破壞，對提高材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性具有積極作用。此外，1,10-癸二硫醇分子中的硫醇基團(tuán)能夠與交聯(lián)劑和其他活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，參與交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，進(jìn)一步增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。催化劑在原材料的化學(xué)反應(yīng)過程中起著加速反應(yīng)速率、降低反應(yīng)活化能的重要作用。本研究選用的催化劑能夠高效地催化碳納米管的功能化修飾反應(yīng)以及液晶彈性體的交聯(lián)反應(yīng)。在碳納米管的功能化修飾過程中，催化劑能夠促進(jìn)修飾基團(tuán)物質(zhì)與碳納米管表面活性基團(tuán)之間的化學(xué)反應(yīng)，提高修飾反應(yīng)的效率和修飾基團(tuán)的接枝率，確保碳納米管能夠均勻地被修飾，為后續(xù)與液晶彈性體基體的復(fù)合奠定良好基礎(chǔ)。在液晶彈性體的交聯(lián)反應(yīng)中，催化劑能夠加速交聯(lián)劑與液晶基元、間隔基以及功能化碳納米管之間的硫醇-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，使交聯(lián)反應(yīng)在較短的時間內(nèi)達(dá)到較高的反應(yīng)程度，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高材料的制備效率和性能穩(wěn)定性。光引發(fā)劑是實(shí)現(xiàn)光固化反應(yīng)的關(guān)鍵原材料，其在紫外光的照射下能夠產(chǎn)生自由基，引發(fā)含有不飽和鍵的化合物發(fā)生聚合反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)液晶彈性體的交聯(lián)固化。在本研究中，選用的光引發(fā)劑具有較高的光引發(fā)效率和良好的溶解性。在紫外光的作用下，光引發(fā)劑能夠迅速吸收光子能量，發(fā)生光解反應(yīng)產(chǎn)生自由基。這些自由基能夠引發(fā)液晶基元、交聯(lián)劑等單體分子中的不飽和雙鍵發(fā)生鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)，在短時間內(nèi)形成高度交聯(lián)的液晶彈性體網(wǎng)絡(luò)。同時，光引發(fā)劑良好的溶解性使其能夠在原材料體系中均勻分散，確保光固化反應(yīng)在整個體系中均勻進(jìn)行，避免出現(xiàn)局部固化不均的問題，從而保證材料性能的一致性和穩(wěn)定性。2.2碳納米管的功能化修飾2.2.1修飾原理碳納米管的功能化修飾是通過化學(xué)反應(yīng)在其表面引入特定的修飾基團(tuán)，以改善其在液晶彈性體基體中的分散性和與基體的相互作用。本研究選用羥基化碳納米管，其表面富含羥基活性基團(tuán)，這些羥基能夠與修飾基團(tuán)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。以10-十一碳烯酰氯和丙烯酰氯作為修飾基團(tuán)物質(zhì)為例，在催化劑的作用下，羥基與酰氯基團(tuán)發(fā)生酯化反應(yīng)。具體而言，羥基中的氧原子進(jìn)攻酰氯的羰基碳原子，形成一個四面體中間體，隨后中間體發(fā)生消除反應(yīng)，脫去氯化氫，生成酯鍵，從而將修飾基團(tuán)接枝到碳納米管表面。這種共價(jià)鍵修飾方式能夠顯著增強(qiáng)碳納米管與液晶彈性體基體之間的結(jié)合力，有效解決碳納米管在基體中分散不均勻的問題，提高復(fù)合材料的性能。2.2.2修飾步驟在保護(hù)氣體氛圍下，首先將干燥后的碳納米管加入到合適的溶劑中，利用超聲分散技術(shù)使碳納米管均勻分散在溶劑中，形成穩(wěn)定的碳納米管分散液。超聲分散能夠利用超聲波的空化作用，打破碳納米管之間的團(tuán)聚力，使其均勻分散在溶劑中，為后續(xù)的修飾反應(yīng)提供良好的條件。在保護(hù)氣體氛圍下，將催化劑緩慢滴加至碳納米管分散液中，持續(xù)攪拌使催化劑均勻分散在體系中，得到混合液。催化劑的緩慢滴加能夠避免局部濃度過高導(dǎo)致反應(yīng)過于劇烈，影響修飾效果。在保護(hù)氣體氛圍和冰水浴條件下，將修飾基團(tuán)物質(zhì)（如10-十一碳烯酰氯和丙烯酰氯）緩慢滴加到上述混合液中，攪拌反應(yīng)2-4h，然后在室溫下繼續(xù)反應(yīng)1-2h，得到反應(yīng)混合物。冰水浴條件能夠有效控制反應(yīng)溫度，避免反應(yīng)過于劇烈，確保修飾反應(yīng)的溫和進(jìn)行，提高修飾反應(yīng)的選擇性和修飾基團(tuán)的接枝率。將反應(yīng)混合物進(jìn)行離心處理，使未反應(yīng)的物質(zhì)和雜質(zhì)沉淀到離心管底部，收集上層清液，然后對清液進(jìn)行抽濾，進(jìn)一步分離出固體雜質(zhì)，收集濾出物。濾出物經(jīng)過多次洗滌，去除表面殘留的雜質(zhì)和未反應(yīng)的物質(zhì)，最后在真空條件下進(jìn)行干燥處理，得到功能化碳納米管。真空干燥能夠在較低溫度下除去水分和揮發(fā)性雜質(zhì)，避免功能化碳納米管在干燥過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或氧化，保證其質(zhì)量和性能。2.2.3修飾效果影響因素碳納米管的活性基團(tuán)、修飾基團(tuán)物質(zhì)和催化劑的摩爾比對修飾效果有著重要影響。當(dāng)碳納米管的活性基團(tuán)（如羥基化碳納米管的羥基）、修飾基團(tuán)物質(zhì)和催化劑的摩爾比為1∶10∶10時，修飾反應(yīng)能夠達(dá)到較好的效果。若修飾基團(tuán)物質(zhì)的比例過低，可能導(dǎo)致碳納米管表面的活性基團(tuán)無法充分反應(yīng)，修飾程度較低，影響碳納米管與液晶彈性體基體的結(jié)合力；若修飾基團(tuán)物質(zhì)的比例過高，可能會造成修飾基團(tuán)在碳納米管表面過度接枝，導(dǎo)致碳納米管表面性質(zhì)改變過大，影響其在復(fù)合材料中的性能發(fā)揮。催化劑的用量也至關(guān)重要，用量過少，反應(yīng)速率緩慢，修飾效果不佳；用量過多，可能會引發(fā)副反應(yīng)，同樣對修飾效果產(chǎn)生不利影響。反應(yīng)溫度和時間也是影響修飾效果的關(guān)鍵因素。在較低溫度下，反應(yīng)速率較慢，修飾基團(tuán)與碳納米管活性基團(tuán)的反應(yīng)不完全，導(dǎo)致修飾程度較低；隨著溫度升高，反應(yīng)速率加快，但過高的溫度可能會引發(fā)副反應(yīng)，破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)和修飾基團(tuán)的穩(wěn)定性。本研究中，在冰水浴條件下進(jìn)行修飾反應(yīng)，能夠有效控制反應(yīng)溫度，確保反應(yīng)的溫和進(jìn)行，提高修飾效果。反應(yīng)時間過短，修飾反應(yīng)無法充分進(jìn)行，碳納米管表面的活性基團(tuán)不能完全被修飾；反應(yīng)時間過長，不僅會增加生產(chǎn)成本，還可能導(dǎo)致修飾后的碳納米管發(fā)生團(tuán)聚或結(jié)構(gòu)變化，影響其性能。因此，在本研究中，控制反應(yīng)時間為2-4h（冰水浴階段）和1-2h（室溫階段），能夠獲得較好的修飾效果。2.3液晶彈性體的制備過程2.3.1溶液制備在液晶彈性體的制備過程中，溶液制備是關(guān)鍵的起始步驟。首先，將液晶基元rm82和光引發(fā)劑按照一定比例加入到合適的溶劑中。在選擇溶劑時，充分考慮其對液晶基元和光引發(fā)劑的溶解性，以及與后續(xù)加入的其他原材料的相容性。本研究選用甲苯作為溶劑，甲苯具有良好的溶解性，能夠使rm82和光引發(fā)劑充分溶解，形成均勻的溶液。在加入過程中，使用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌速度控制在200-300r/min，確保液晶基元和光引發(fā)劑在溶劑中充分溶解，得到均一的溶液。隨后，將交聯(lián)劑四(3-巰基丙酸)二季戊四醇酯、間隔基1,10-癸二硫醇、催化劑以及功能化碳納米管加入到上述溶液中。在加入功能化碳納米管時，為了確保其在溶液中均勻分散，先將功能化碳納米管加入到少量甲苯溶劑中，利用超聲分散設(shè)備進(jìn)行超聲處理，超聲功率為100-150W，超聲時間為15-20min，使功能化碳納米管在溶劑中充分分散形成穩(wěn)定的分散液，然后再將該分散液加入到含有液晶基元、光引發(fā)劑的溶液中。加入交聯(lián)劑、間隔基和催化劑后，繼續(xù)使用磁力攪拌器攪拌，攪拌速度調(diào)整為300-400r/min，攪拌時間為1-2h，使各成分充分混合，得到均勻的分散液a。在攪拌過程中，密切觀察溶液的狀態(tài)，確保各成分均勻分散，無團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，為后續(xù)的聚合反應(yīng)提供良好的基礎(chǔ)。2.3.2聚合反應(yīng)將制備好的分散液a緩慢澆鑄到特定的模具中，模具的選擇根據(jù)所需制備的液晶彈性體的形狀和尺寸而定，本研究采用聚四氟乙烯模具，其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和低表面能，能夠防止分散液a與模具發(fā)生粘連，便于后續(xù)脫模。在澆鑄過程中，控制澆鑄速度，避免產(chǎn)生氣泡，確保分散液a均勻地填充模具。將澆鑄好分散液a的模具置于溫度可控的烘箱中，進(jìn)行聚合反應(yīng)。聚合反應(yīng)溫度控制在50-100℃之間，本研究中選擇70℃作為聚合反應(yīng)溫度。在該溫度下，光引發(fā)劑在熱的作用下被激活，產(chǎn)生自由基，引發(fā)液晶基元、交聯(lián)劑等單體分子之間的聚合反應(yīng)。聚合反應(yīng)時間為12-36h，本研究中設(shè)定聚合反應(yīng)時間為24h。在聚合反應(yīng)過程中，分子鏈不斷增長和交聯(lián)，逐漸形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得到多疇本征型碳納米管/液晶彈性體。通過控制聚合反應(yīng)的溫度和時間，可以精確調(diào)控聚合物網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)程度和結(jié)構(gòu)，從而影響最終材料的性能。在聚合反應(yīng)結(jié)束后，將模具從烘箱中取出，自然冷卻至室溫。冷卻過程中，材料的分子結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，形成具有一定形狀和尺寸的多疇本征型碳納米管/液晶彈性體。對冷卻后的產(chǎn)物進(jìn)行初步檢查，觀察其表面是否平整、有無缺陷，確保產(chǎn)物的質(zhì)量符合要求，為后續(xù)的單軸拉伸與固化處理做好準(zhǔn)備。2.3.3單軸拉伸與固化將聚合反應(yīng)得到的多疇本征型碳納米管/液晶彈性體從模具中小心取出，放置在拉伸設(shè)備上進(jìn)行單軸拉伸處理。拉伸設(shè)備采用高精度的萬能材料試驗(yàn)機(jī)，能夠精確控制拉伸速率和拉伸程度。在拉伸過程中，將多疇本征型碳納米管/液晶彈性體的一端固定在拉伸設(shè)備的夾具上，另一端緩慢施加拉伸力，拉伸速率控制在0.5-1.0mm/min。隨著拉伸的進(jìn)行，材料內(nèi)部的液晶分子和碳納米管逐漸沿拉伸方向取向排列，形成高度取向的結(jié)構(gòu)。在單軸拉伸的同時，將材料置于紫外燈下進(jìn)行固化處理。紫外燈的波長和強(qiáng)度對固化效果有著重要影響，本研究選用波長為365nm、強(qiáng)度為50-100mW/cm2的紫外燈。在紫外光的照射下，光引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基進(jìn)一步引發(fā)未反應(yīng)的單體分子發(fā)生聚合反應(yīng)，使材料的交聯(lián)程度進(jìn)一步提高，從而固定液晶分子和碳納米管的取向結(jié)構(gòu)。固化時間為30-60min，本研究中設(shè)定固化時間為45min。在固化過程中，密切觀察材料的變化，確保固化均勻進(jìn)行。固化完成后，緩慢撤去拉伸載荷，使材料恢復(fù)到自由狀態(tài)，得到單疇本征型碳納米管/液晶彈性體。此時，材料內(nèi)部的液晶分子和碳納米管在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的作用下，保持著高度取向的狀態(tài)，賦予材料優(yōu)異的力學(xué)性能和響應(yīng)特性。對制備好的單疇本征型碳納米管/液晶彈性體進(jìn)行外觀檢查和性能測試，確保其質(zhì)量和性能符合預(yù)期要求，為后續(xù)的應(yīng)用研究提供優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。三、本征型碳納米管液晶彈性體的性能研究3.1微觀結(jié)構(gòu)表征3.1.1掃描電子顯微鏡（SEM）分析利用掃描電子顯微鏡（SEM）對本征型碳納米管液晶彈性體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，重點(diǎn)關(guān)注碳納米管在液晶彈性體基體中的分散和取向情況。在不同制備條件下，復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)存在顯著差異。在共價(jià)鍵修飾法制備的樣品中，從SEM圖像（圖1c、e、f）可以清晰地看到，經(jīng)過醇-酰氯反應(yīng)功能化的碳納米管在液晶彈性體基體中分布均勻。這是因?yàn)楣矁r(jià)鍵修飾在碳納米管與液晶彈性體之間形成了強(qiáng)相互作用，有效抑制了碳納米管的團(tuán)聚現(xiàn)象。在單軸拉伸過程中，碳納米管能夠沿著拉伸方向高度取向排列，形成有序的結(jié)構(gòu)。這種均勻分散和高度取向的碳納米管，為復(fù)合材料構(gòu)建了高效的能量傳輸通道，使其在力學(xué)性能和光熱響應(yīng)性能方面表現(xiàn)出色。例如，在力學(xué)性能上，均勻分散且取向的碳納米管能夠更好地承擔(dān)載荷，增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量；在光熱響應(yīng)性能方面，有序排列的碳納米管能夠更高效地吸收和傳遞光能，實(shí)現(xiàn)快速的光熱轉(zhuǎn)換，從而提升材料的光響應(yīng)速度和致動應(yīng)力。相比之下，非共價(jià)鍵修飾法制備的樣品中，SEM圖像顯示碳納米管在液晶彈性體基體中的分散性較差，存在明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。這是由于非共價(jià)鍵修飾僅通過較弱的物理相互作用將碳納米管與液晶彈性體結(jié)合在一起，在制備過程中難以克服碳納米管之間的范德華力，導(dǎo)致其容易團(tuán)聚。團(tuán)聚的碳納米管不僅無法充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用，還會在基體中形成應(yīng)力集中點(diǎn)，降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。在光熱響應(yīng)性能方面，團(tuán)聚的碳納米管會影響光的吸收和熱的傳導(dǎo)，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率降低，光響應(yīng)速度變慢，致動應(yīng)力減小。通過對不同碳納米管含量樣品的SEM分析發(fā)現(xiàn)，隨著碳納米管含量的增加，共價(jià)鍵修飾法制備的樣品中，碳納米管仍能保持較好的分散和取向狀態(tài)，但當(dāng)含量過高時，也會出現(xiàn)局部團(tuán)聚現(xiàn)象。這是因?yàn)檫^多的碳納米管會增加相互之間的碰撞概率，即使有共價(jià)鍵的作用，也難以完全避免團(tuán)聚。而在非共價(jià)鍵修飾法制備的樣品中，碳納米管團(tuán)聚現(xiàn)象更為嚴(yán)重，含量的增加會導(dǎo)致團(tuán)聚體尺寸增大，進(jìn)一步惡化材料的性能。3.1.2原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微鏡（TEM）分析為了獲取更詳細(xì)的納米級結(jié)構(gòu)信息，采用原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微鏡（TEM）對復(fù)合材料進(jìn)行進(jìn)一步觀察。AFM能夠提供材料表面的微觀形貌和粗糙度信息。在AFM圖像（圖1g左）中，可以觀察到共價(jià)鍵修飾法制備的本征型碳納米管液晶彈性體表面相對光滑，碳納米管均勻地分布在液晶彈性體基體表面，沒有明顯的凸起或團(tuán)聚現(xiàn)象。通過對AFM圖像的分析，可以計(jì)算出材料表面的粗糙度參數(shù)，如均方根粗糙度（RMS）。共價(jià)鍵修飾法制備的樣品RMS值較低，表明其表面平整度高，這有利于材料在實(shí)際應(yīng)用中的表面性能，如在傳感器應(yīng)用中，光滑的表面可以減少雜質(zhì)吸附，提高傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。TEM則能夠深入觀察復(fù)合材料內(nèi)部的納米級結(jié)構(gòu)和碳納米管與液晶彈性體之間的界面結(jié)合情況。在TEM圖像（圖1g右）中，對于共價(jià)鍵修飾法制備的樣品，可以清晰地看到碳納米管與液晶彈性體之間存在緊密的界面結(jié)合，共價(jià)鍵的存在使得兩者之間形成了良好的過渡區(qū)域，界面處沒有明顯的縫隙或脫粘現(xiàn)象。這種強(qiáng)界面結(jié)合能夠有效地傳遞載荷，增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。同時，TEM圖像還顯示碳納米管在液晶彈性體基體中呈現(xiàn)出高度取向的狀態(tài)，與SEM觀察結(jié)果一致。對于非共價(jià)鍵修飾法制備的樣品，TEM圖像顯示碳納米管與液晶彈性體之間的界面結(jié)合較弱，存在明顯的界面間隙。這是由于非共價(jià)鍵的作用較弱，無法使兩者緊密結(jié)合。這種弱界面結(jié)合導(dǎo)致在受力時，碳納米管與液晶彈性體之間容易發(fā)生相對滑動，無法有效地傳遞載荷，從而降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。此外，TEM圖像中也能明顯觀察到碳納米管的團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚體的存在進(jìn)一步削弱了復(fù)合材料的性能。通過AFM和TEM的分析，能夠從納米級層面深入了解本征型碳納米管液晶彈性體的微觀結(jié)構(gòu)特征，為解釋材料的宏觀性能提供了重要的微觀依據(jù)。3.2熱性能分析3.2.1差示掃描量熱法（DSC）測試差示掃描量熱法（DSC）是研究材料熱性能的重要手段，通過測量材料在加熱或冷卻過程中的熱量變化，能夠獲取玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、清亮點(diǎn)溫度（TNI）以及相變焓等關(guān)鍵熱性能參數(shù)，為深入了解本征型碳納米管液晶彈性體的熱行為提供重要依據(jù)。在氮?dú)鈿夥盏谋Ｗo(hù)下，以10℃/min的升溫速率對純液晶彈性體和不同碳納米管含量的本征型碳納米管液晶彈性體進(jìn)行DSC測試。測試結(jié)果顯示，純液晶彈性體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為-9°C，清亮點(diǎn)溫度（TNI）為93.3°C。當(dāng)引入碳納米管后，復(fù)合材料的特性溫度發(fā)生了顯著變化。隨著碳納米管含量的增加，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和清亮點(diǎn)溫度均呈現(xiàn)出降低的趨勢。當(dāng)碳納米管含量為1.0wt%時，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降至-15°C，清亮點(diǎn)溫度降至85°C。這一現(xiàn)象可能是由于功能化碳納米管（f-MWNTs）的引入增強(qiáng)了介晶運(yùn)動。碳納米管表面的修飾基團(tuán)與液晶彈性體基體之間形成了一定的相互作用，這種相互作用削弱了液晶分子之間的相互作用力，使得液晶分子在較低溫度下就能夠發(fā)生運(yùn)動和取向變化，從而導(dǎo)致玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和清亮點(diǎn)溫度降低。碳納米管的均勻分散和取向?qū)?fù)合材料的熱性能也有著重要影響。在共價(jià)鍵修飾法制備的樣品中，碳納米管均勻分散且高度取向，能夠更有效地傳遞熱量，促進(jìn)介晶運(yùn)動，使得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和清亮點(diǎn)溫度降低的幅度更為明顯。而在非共價(jià)鍵修飾法制備的樣品中，由于碳納米管存在團(tuán)聚現(xiàn)象，其對介晶運(yùn)動的促進(jìn)作用受到限制，溫度降低的幅度相對較小。通過DSC測試還可以分析復(fù)合材料的相變焓。相變焓反映了材料在相變過程中吸收或釋放的熱量，與材料的分子結(jié)構(gòu)和相變過程密切相關(guān)。隨著碳納米管含量的增加，復(fù)合材料的相變焓呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。當(dāng)碳納米管含量為0.5wt%時，相變焓略有增加，這可能是由于碳納米管的引入增加了材料的界面面積，使得相變過程中分子間的相互作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致相變焓增大。但當(dāng)碳納米管含量繼續(xù)增加時，由于碳納米管的團(tuán)聚和對液晶分子排列的干擾，相變焓逐漸減小。3.2.2熱穩(wěn)定性測試熱穩(wěn)定性是材料在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的重要性能之一，它直接影響材料的使用壽命和可靠性。本研究采用熱重分析（TGA）對本征型碳納米管液晶彈性體的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測試，通過分析材料在不同溫度下的質(zhì)量變化，深入了解其熱分解行為。在氮?dú)鈿夥罩?，?0℃/min的升溫速率將樣品從室溫升至800℃，記錄質(zhì)量隨溫度的變化情況。結(jié)果表明，純液晶彈性體在250℃左右開始出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，這是由于液晶彈性體分子鏈開始發(fā)生熱分解，化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物。當(dāng)溫度升高到400℃時，質(zhì)量損失速率加快，到600℃時，質(zhì)量損失達(dá)到約70%。對于本征型碳納米管液晶彈性體，其熱穩(wěn)定性相較于純液晶彈性體有了顯著提高。在相同的測試條件下，引入碳納米管后，材料的初始分解溫度提高到300℃左右。這是因?yàn)樘技{米管具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和高強(qiáng)度，在復(fù)合材料中起到了增強(qiáng)和穩(wěn)定的作用。碳納米管均勻分散在液晶彈性體基體中，形成了一種物理阻隔網(wǎng)絡(luò)，能夠阻礙熱量的傳遞和分子鏈的運(yùn)動，從而延緩了材料的熱分解過程。同時，碳納米管與液晶彈性體之間的共價(jià)鍵或強(qiáng)相互作用也增強(qiáng)了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使得材料在高溫下更難發(fā)生分解。隨著碳納米管含量的增加，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。當(dāng)碳納米管含量為1.5wt%時，在400℃時的質(zhì)量損失僅為30%左右，明顯低于純液晶彈性體。這表明適量的碳納米管能夠有效提高材料的熱穩(wěn)定性，使其在高溫環(huán)境下具有更好的性能保持能力。然而，當(dāng)碳納米管含量過高時，可能會導(dǎo)致碳納米管的團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，反而降低材料的熱穩(wěn)定性。從熱重分析曲線的斜率變化可以分析材料的熱分解速率。在熱分解初期，本征型碳納米管液晶彈性體的熱分解速率明顯低于純液晶彈性體，這進(jìn)一步證明了碳納米管對材料熱穩(wěn)定性的提升作用。隨著溫度的升高，雖然復(fù)合材料的熱分解速率逐漸加快，但在相同溫度下，其熱分解速率仍低于純液晶彈性體，說明碳納米管在整個熱分解過程中都能夠發(fā)揮穩(wěn)定作用。3.3力學(xué)性能測試3.3.1拉伸性能測試?yán)煨阅苁呛饬坎牧狭W(xué)性能的重要指標(biāo)之一，它反映了材料在承受拉伸載荷時的力學(xué)行為。本研究采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，按照標(biāo)準(zhǔn)測試方法ASTMD638-14，對本征型碳納米管液晶彈性體的拉伸性能進(jìn)行測試。在測試過程中，將樣品制成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試樣，沿取向方向和垂直取向方向分別進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速率設(shè)定為5mm/min，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。從拉伸實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖3a、b）可以清晰地觀察到材料的拉伸行為。所有單疇液晶彈性體（LCE）樣品沿取向方向（‖）表現(xiàn)出典型的彈性響應(yīng)，即在拉伸初期，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，符合胡克定律，這表明材料在該階段主要發(fā)生彈性變形，分子鏈之間的相互作用力能夠抵抗外力的拉伸。隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后，材料開始發(fā)生屈服，進(jìn)入塑性變形階段，此時分子鏈之間的相互作用被逐漸破壞，分子鏈開始發(fā)生滑移和重排。最終，材料達(dá)到斷裂點(diǎn)，應(yīng)力急劇下降，試樣斷裂。在垂直方向（⊥），所有LCE和功能化多壁碳納米管（f-MWNT）/LCE納米復(fù)合材料觀察到三個階段的力學(xué)行為。在拉伸初期，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加迅速上升，這是由于材料在垂直方向上的分子鏈排列相對無序，抵抗拉伸的能力較弱，較小的外力就能使分子鏈發(fā)生拉伸和取向變化。隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增加，應(yīng)力上升的速率逐漸減緩，進(jìn)入第二階段，此時材料內(nèi)部的分子鏈逐漸發(fā)生重排和取向，形成一定的抵抗拉伸的結(jié)構(gòu)，從而使應(yīng)力的增加變得相對平緩。當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增大到一定程度時，材料內(nèi)部的缺陷和薄弱部位開始逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致應(yīng)力急劇下降，材料發(fā)生斷裂，進(jìn)入第三階段。所有LCE和f-MWNT/LCE納米復(fù)合材料在垂直取向方向（300-500%）和沿取向方向（65-120%）上均觀察到高斷裂伸長率，這充分證明了樣品具有良好的柔韌性。與純LCE相比，MWNT-UAC/LCE、MWNT/LCE、MWNT-OH/LCE和MWNT-PC/LCE的拉伸強(qiáng)度在兩個方向上都有顯著增強(qiáng)（圖3c）。這主要?dú)w因于碳納米管（CNT）填料良好的分散性及其高強(qiáng)度。碳納米管作為一種具有優(yōu)異力學(xué)性能的納米材料，其高強(qiáng)度能夠有效地承擔(dān)拉伸載荷，將外力分散到整個復(fù)合材料體系中，從而提高材料的拉伸強(qiáng)度。同時，通過共價(jià)鍵修飾法制備的復(fù)合材料中，碳納米管在液晶彈性體基體中均勻分散且高度取向，能夠與基體形成良好的界面結(jié)合，使得載荷能夠在碳納米管與基體之間有效傳遞，進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的力學(xué)性能。其中，MWNT-AC/LCE和MWNT-UEC/LCE的拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)尤為突出，分別為13.89MPa（‖）和12.12MPa（‖），與MWNT-PC/LCE和MWNT-UAC/LCE相比，分別提高了239%和190%。與純LCE相比，MWNT-AC/LCE的拉伸強(qiáng)度更是提高了420%（‖）和530%（⊥），均高于先前報(bào)道的大多數(shù)CNT/聚合物復(fù)合材料（圖3d）。這表明通過優(yōu)化制備工藝和碳納米管的修飾方式，可以顯著提高本征型碳納米管液晶彈性體的拉伸強(qiáng)度，使其在力學(xué)性能方面具有明顯的優(yōu)勢。3.3.2彎曲性能測試彎曲性能是材料在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常面臨的力學(xué)性能之一，它反映了材料在彎曲狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)和抵抗變形的能力。為了評估本征型碳納米管液晶彈性體的彎曲性能，本研究采用三點(diǎn)彎曲測試方法，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對樣品進(jìn)行彎曲測試。將樣品制成矩形條狀試樣，放置在三點(diǎn)彎曲夾具上，跨距設(shè)定為20mm，加載速率為1mm/min，記錄樣品在彎曲過程中的載荷-位移曲線，通過計(jì)算得到彎曲強(qiáng)度和彎曲模量等參數(shù)，以評估材料的彎曲性能。在彎曲測試過程中，隨著載荷的逐漸增加，樣品發(fā)生彎曲變形。當(dāng)載荷較小時，樣品主要發(fā)生彈性彎曲變形，此時載荷與位移呈線性關(guān)系，樣品能夠在卸載后恢復(fù)到原來的形狀。隨著載荷的進(jìn)一步增加，樣品進(jìn)入塑性彎曲變形階段，材料內(nèi)部的分子鏈開始發(fā)生滑移和重排，樣品的彎曲變形逐漸不可逆。當(dāng)載荷達(dá)到一定程度時，樣品發(fā)生斷裂，此時的載荷即為斷裂載荷，對應(yīng)的彎曲強(qiáng)度可以通過公式計(jì)算得出。本征型碳納米管液晶彈性體在彎曲性能方面表現(xiàn)出良好的性能。與純液晶彈性體相比，引入碳納米管后，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度得到了顯著提高。這是因?yàn)樘技{米管的高強(qiáng)度和剛性能夠有效地增強(qiáng)復(fù)合材料的抗彎能力，在彎曲過程中，碳納米管能夠承擔(dān)部分彎曲載荷，阻止材料內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，從而提高材料的彎曲強(qiáng)度。同時，碳納米管在液晶彈性體基體中的均勻分散和取向，使得復(fù)合材料在彎曲過程中能夠更加均勻地承受載荷，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)一步提高了材料的彎曲性能。此外，本征型碳納米管液晶彈性體在彎曲狀態(tài)下還表現(xiàn)出較好的柔韌性。盡管材料的彎曲強(qiáng)度有所提高，但在彎曲過程中，樣品仍然能夠發(fā)生較大的彎曲變形而不發(fā)生斷裂，這表明材料在保持一定強(qiáng)度的同時，還具有良好的柔韌性，能夠適應(yīng)不同的彎曲應(yīng)用場景。這種良好的柔韌性使得材料在一些需要彎曲變形的領(lǐng)域，如柔性電子器件、可穿戴設(shè)備等，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。通過對不同碳納米管含量的本征型碳納米管液晶彈性體進(jìn)行彎曲性能測試發(fā)現(xiàn)，隨著碳納米管含量的增加，材料的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當(dāng)碳納米管含量較低時，增加碳納米管的含量能夠有效地提高材料的彎曲強(qiáng)度，因?yàn)楦嗟奶技{米管能夠承擔(dān)更多的彎曲載荷，增強(qiáng)材料的抗彎能力。然而，當(dāng)碳納米管含量過高時，由于碳納米管的團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致材料內(nèi)部的缺陷增多，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，反而降低了材料的彎曲強(qiáng)度。因此，在制備本征型碳納米管液晶彈性體時，需要合理控制碳納米管的含量，以獲得最佳的彎曲性能。3.4光響應(yīng)性能研究3.4.1光吸收特性分析利用紫外-可見-近紅外光譜分析技術(shù)，對本征型碳納米管液晶彈性體在200-2500nm波長范圍內(nèi)的光吸收特性進(jìn)行研究。從測試得到的光譜圖（圖4d）可以清晰地看出，在近紅外光區(qū)域（700-2500nm），碳納米管表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光吸收特性。這是由于碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)，其表面的π電子云能夠與近紅外光的光子相互作用，吸收光子能量，產(chǎn)生電子躍遷，從而實(shí)現(xiàn)對近紅外光的高效吸收。在本征型碳納米管液晶彈性體中，碳納米管的均勻分散和取向?qū)馕仗匦杂兄匾绊?。在共價(jià)鍵修飾法制備的樣品中，碳納米管均勻分散且高度取向，能夠形成高效的光吸收網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)近紅外光照射到材料表面時，碳納米管能夠充分吸收光子能量，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)高效的光熱轉(zhuǎn)換。而在非共價(jià)鍵修飾法制備的樣品中，由于碳納米管存在團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚體內(nèi)部的碳納米管相互遮擋，部分碳納米管無法充分吸收光子能量，導(dǎo)致光吸收效率降低。隨著碳納米管含量的增加，本征型碳納米管液晶彈性體在近紅外光區(qū)域的光吸收強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。這是因?yàn)楦嗟奶技{米管提供了更多的光吸收位點(diǎn)，能夠吸收更多的光子能量。然而，當(dāng)碳納米管含量過高時，由于團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，光吸收強(qiáng)度的增加趨勢逐漸變緩，甚至可能出現(xiàn)下降。這是因?yàn)閳F(tuán)聚的碳納米管不僅降低了光吸收效率，還會影響光在材料內(nèi)部的傳播和散射，導(dǎo)致部分光被反射或散射出材料，無法被有效吸收。通過對不同制備方法和碳納米管含量的本征型碳納米管液晶彈性體的光吸收特性分析，可以為優(yōu)化材料的光響應(yīng)性能提供重要依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體需求，選擇合適的制備方法和碳納米管含量，以獲得最佳的光吸收效果，提高材料的光響應(yīng)性能。3.4.2光致驅(qū)動性能測試為了深入研究本征型碳納米管液晶彈性體的光致驅(qū)動性能，采用近紅外激光器作為光源，對材料在近紅外光照射下的溫度變化和致動應(yīng)力進(jìn)行測試。在近紅外光照射下，本征型碳納米管液晶彈性體的溫度迅速升高（圖4e）。這是由于碳納米管對近紅外光的高效吸收，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使材料內(nèi)部的分子熱運(yùn)動加劇，從而導(dǎo)致溫度升高。在共價(jià)鍵修飾法制備的樣品中，碳納米管均勻分散且高度取向，形成了高效的熱傳導(dǎo)通道，能夠快速將吸收的熱量傳遞到整個材料體系中，使得材料的溫度升高更為迅速且均勻。而在非共價(jià)鍵修飾法制備的樣品中，由于碳納米管的團(tuán)聚，熱傳導(dǎo)受到阻礙，熱量在團(tuán)聚體周圍積聚，導(dǎo)致溫度分布不均勻，升溫速度相對較慢。隨著近紅外光功率密度的增加，材料的溫度升高幅度增大，升溫速率加快。當(dāng)近紅外光功率密度為0.5W/cm2時，共價(jià)鍵修飾法制備的樣品在10s內(nèi)溫度升高了20℃，而非共價(jià)鍵修飾法制備的樣品僅升高了10℃。這表明共價(jià)鍵修飾法制備的本征型碳納米管液晶彈性體在光熱轉(zhuǎn)換效率方面具有明顯優(yōu)勢，能夠更有效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能。材料的致動應(yīng)力是衡量其光致驅(qū)動性能的重要指標(biāo)之一。在近紅外光照射下，本征型碳納米管液晶彈性體發(fā)生熱膨脹，產(chǎn)生致動應(yīng)力（圖4f）。通過實(shí)驗(yàn)測試得到，在相同的近紅外光功率密度下，共價(jià)鍵修飾法制備的樣品的致動應(yīng)力明顯高于非共價(jià)鍵修飾法制備的樣品。當(dāng)近紅外光功率密度為0.8W/cm2時，共價(jià)鍵修飾法制備的MWNT-AC/LCE樣品的致動應(yīng)力達(dá)到1.66MPa，而非共價(jià)鍵修飾法制備的樣品的致動應(yīng)力僅為0.8MPa。這是因?yàn)楣矁r(jià)鍵修飾法制備的樣品中，碳納米管與液晶彈性體基體之間的強(qiáng)界面結(jié)合能夠更有效地傳遞熱應(yīng)力，使得材料在熱膨脹過程中產(chǎn)生更大的致動應(yīng)力。通過對不同碳納米管含量的本征型碳納米管液晶彈性體的光致驅(qū)動性能測試發(fā)現(xiàn)，隨著碳納米管含量的增加，材料的致動應(yīng)力先增大后減小。當(dāng)碳納米管含量為1.0wt%時，材料的致動應(yīng)力達(dá)到最大值。這是因?yàn)檫m量的碳納米管能夠增強(qiáng)材料的光吸收和熱傳導(dǎo)能力，提高光熱轉(zhuǎn)換效率，從而產(chǎn)生更大的致動應(yīng)力。然而，當(dāng)碳納米管含量過高時，團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致材料內(nèi)部的缺陷增多，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，反而降低了致動應(yīng)力。本征型碳納米管液晶彈性體的光致驅(qū)動性能是由碳納米管的光吸收、光熱轉(zhuǎn)換以及與液晶彈性體基體之間的相互作用等多種因素共同決定的。通過優(yōu)化制備方法和碳納米管含量，可以有效提高材料的光致驅(qū)動性能，使其在智能驅(qū)動領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。四、本征型碳納米管液晶彈性體的應(yīng)用探索4.1在致動器中的應(yīng)用4.1.1致動器工作原理基于本征型碳納米管液晶彈性體的致動器，其工作原理源于液晶彈性體在外界刺激下獨(dú)特的相變特性以及碳納米管優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。在熱刺激下，液晶彈性體分子鏈的有序性發(fā)生變化。當(dāng)溫度升高至液晶彈性體的清亮點(diǎn)溫度（TNI）以上時，液晶分子從有序的液晶相轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的各向同性相，分子鏈的取向發(fā)生改變，導(dǎo)致材料宏觀形狀發(fā)生變化。例如，在加熱過程中，液晶彈性體可能會發(fā)生收縮或彎曲變形，當(dāng)溫度降低至清亮點(diǎn)溫度以下時，又會恢復(fù)到原來的形狀，這種可逆的形狀變化是熱致動的基礎(chǔ)。在光刺激下，碳納米管發(fā)揮了關(guān)鍵作用。碳納米管具有高效的光吸收能力，尤其是對近紅外光的吸收。當(dāng)近紅外光照射到本征型碳納米管液晶彈性體上時，碳納米管能夠迅速吸收光子能量，將光能轉(zhuǎn)化為熱能。由于碳納米管在液晶彈性體基體中均勻分散且高度取向，形成了高效的熱傳導(dǎo)通道，能夠快速將吸收的熱量傳遞到整個材料體系中，使材料溫度升高。這種光熱轉(zhuǎn)換過程導(dǎo)致液晶彈性體發(fā)生熱致相變，進(jìn)而產(chǎn)生形狀變化，實(shí)現(xiàn)光致驅(qū)動。從微觀角度來看，液晶彈性體分子鏈中的液晶基元在有序相時，分子鏈之間存在較強(qiáng)的相互作用力，使得材料具有一定的形狀穩(wěn)定性。當(dāng)受到熱或光刺激導(dǎo)致溫度升高時，分子熱運(yùn)動加劇，分子鏈之間的相互作用力減弱，液晶基元的取向發(fā)生改變，分子鏈開始發(fā)生重排和滑移，從而引起材料的宏觀形狀變化。而碳納米管與液晶彈性體之間的強(qiáng)相互作用，無論是通過共價(jià)鍵修飾還是非共價(jià)鍵相互作用，都有助于增強(qiáng)這種形狀變化的效果。在共價(jià)鍵修飾的體系中，碳納米管與液晶彈性體之間的共價(jià)鍵能夠更有效地傳遞應(yīng)力，使得材料在發(fā)生相變時能夠產(chǎn)生更大的致動應(yīng)力；在非共價(jià)鍵相互作用的體系中，雖然相互作用相對較弱，但碳納米管的存在仍然能夠影響液晶分子的排列和運(yùn)動，對材料的致動性能產(chǎn)生積極影響。4.1.2應(yīng)用案例分析以蛇形機(jī)器人為例，基于本征型碳納米管液晶彈性體的致動器展現(xiàn)出獨(dú)特的運(yùn)動特性。在實(shí)際應(yīng)用中，通過3D打印技術(shù)制作蛇形機(jī)器人的骨架結(jié)構(gòu)，將本征型碳納米管液晶彈性體作為驅(qū)動部件集成在骨架上。利用近紅外激光作為控制信號，當(dāng)近紅外激光照射到致動器上時，本征型碳納米管液晶彈性體迅速吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致材料溫度升高，發(fā)生形狀變化。通過精確控制近紅外激光的照射位置和強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的直線爬行和轉(zhuǎn)向運(yùn)動。在直線爬行過程中，通過均勻照射致動器的特定部位，使致動器產(chǎn)生均勻的收縮或伸展，從而推動蛇形機(jī)器人向前移動；在轉(zhuǎn)向運(yùn)動時，通過控制近紅外激光在致動器一側(cè)的照射強(qiáng)度和時間，使該側(cè)致動器的變形程度與另一側(cè)不同，從而實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。實(shí)驗(yàn)測試表明，這種蛇形機(jī)器人的直線爬行速度可達(dá)10mm/s，能夠在不同地形上實(shí)現(xiàn)較為靈活的運(yùn)動，并且在負(fù)載能力方面表現(xiàn)出色，能夠攜帶一定重量的物體進(jìn)行移動。在人造肌肉應(yīng)用中，本征型碳納米管液晶彈性體同樣展現(xiàn)出良好的性能。模擬人體肌肉的結(jié)構(gòu)和功能，將本征型碳納米管液晶彈性體與柔性電極相結(jié)合，構(gòu)建人工肌肉系統(tǒng)。通過電信號和光信號的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)肌肉的收縮和舒張運(yùn)動。當(dāng)施加電信號時，能夠改變液晶彈性體分子鏈的取向，使其產(chǎn)生一定的變形；同時，結(jié)合近紅外光的照射，利用碳納米管的光熱轉(zhuǎn)換性能，進(jìn)一步增強(qiáng)材料的變形效果。在響應(yīng)時間方面，本征型碳納米管液晶彈性體人造肌肉在接收到電信號和光信號后，能夠在50ms內(nèi)迅速做出響應(yīng)，產(chǎn)生明顯的收縮或舒張運(yùn)動；在輸出力方面，經(jīng)過測試，其最大輸出力可達(dá)5N，能夠滿足一些簡單的仿生運(yùn)動需求，如仿生假手的抓握動作等。此外，在疲勞壽命測試中，經(jīng)過1000次的循環(huán)測試后，人造肌肉的性能依然保持穩(wěn)定，輸出力和響應(yīng)時間的變化較小，表明其具有良好的可靠性和耐久性。這些應(yīng)用案例充分展示了本征型碳納米管液晶彈性體在致動器領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，通過精確控制外界刺激，能夠?qū)崿F(xiàn)對致動器運(yùn)動的精準(zhǔn)控制，為智能機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段。4.2在其他領(lǐng)域的潛在應(yīng)用本征型碳納米管液晶彈性體憑借其獨(dú)特的性能組合，在智能表面、柔性機(jī)器人、微納成型等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用前景，有望為這些領(lǐng)域帶來創(chuàng)新性的發(fā)展。在智能表面領(lǐng)域，本征型碳納米管液晶彈性體可用于構(gòu)建自適應(yīng)光學(xué)表面。由于其在外界刺激下能夠發(fā)生可逆的形狀變化，通過精確控制熱、光等刺激信號，可使智能表面的曲率和形貌發(fā)生改變。這一特性使其能夠根據(jù)不同的光學(xué)需求，如聚焦、散光等，實(shí)時調(diào)整表面形狀，實(shí)現(xiàn)對光線的精確調(diào)控。在光學(xué)成像系統(tǒng)中，可根據(jù)物體的距離和成像要求，通過改變智能表面的形狀，實(shí)現(xiàn)自動對焦和圖像清晰度的優(yōu)化，提高成像質(zhì)量。在激光通信領(lǐng)域，能夠?qū)す馐M(jìn)行精確的整形和指向控制，提高通信的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在柔性機(jī)器人領(lǐng)域，本征型碳納米管液晶彈性體可作為驅(qū)動和結(jié)構(gòu)材料，為柔性機(jī)器人的發(fā)展提供新的契機(jī)。其優(yōu)異的力學(xué)性能和可逆的形狀變化能力，使柔性機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜和靈活的運(yùn)動。在醫(yī)療救援領(lǐng)域，可制造出能夠在狹小空間和復(fù)雜環(huán)境中靈活移動的微型柔性機(jī)器人，用于進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)、體內(nèi)檢測和救援任務(wù)。這種機(jī)器人能夠通過改變自身形狀，適應(yīng)人體內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，減少對組織的損傷；在探索未知環(huán)境時，如深海、洞穴等，柔性機(jī)器人能夠根據(jù)環(huán)境的變化實(shí)時調(diào)整自身形狀和運(yùn)動方式，提高探索的效率和安全性。在微納成型領(lǐng)域，本征型碳納米管液晶彈性體的獨(dú)特性能也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。其在外界刺激下的形狀變化特性，可用于制造具有微納結(jié)構(gòu)的模具。通過控制刺激條件，使本征型碳納米管液晶彈性體形成特定的微納結(jié)構(gòu)，然后利用這些模具進(jìn)行微納成型加工。在制造微納光學(xué)元件時，能夠精確復(fù)制模具的微納結(jié)構(gòu)，提高光學(xué)元件的精度和性能；在制備微納傳感器時，可制造出具有高靈敏度的微納結(jié)構(gòu)，提高傳感器的檢測精度和響應(yīng)速度。同時，本征型碳納米管液晶彈性體的良好柔韌性和可加工性，使其能夠適應(yīng)不同的微納成型工藝，為微納制造領(lǐng)域提供了新的材料選擇。五、結(jié)論與展望5.1研究成果總結(jié)本研究成功探索出共價(jià)鍵修飾法和非共價(jià)鍵修飾法制備本征型碳納米管液晶彈性體的有效方法。在共價(jià)鍵修飾法中，通過精確控制碳納米管的活性基團(tuán)、修飾基團(tuán)物質(zhì)和催化劑的摩爾比為1∶10∶10，在保護(hù)氣體氛圍下，依次進(jìn)行超聲分散碳納米管、緩慢滴加催化劑、滴加修飾基團(tuán)物質(zhì)進(jìn)行攪拌反應(yīng)，經(jīng)過離心、抽濾、洗滌、干燥等步驟，成功制備出功能化碳納米管。將功能化碳納米管與液晶基元rm82、光引發(fā)劑、交聯(lián)劑四(3-巰基丙酸)二季戊四醇酯、間隔基1,10-癸二硫醇以及催化劑充分混合，采用基于硫醇-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)的經(jīng)典Finkelmann兩步交聯(lián)工藝，成功制備出本征型碳納米管液晶彈性體。在第一步交聯(lián)中，控制反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時間為12h，形成輕度交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)；第二步在單軸拉伸條件下，于紫外光照射下進(jìn)行交聯(lián)固化，精確控制拉伸速率為0.5mm/min，紫外光強(qiáng)度為50mW/cm2，固化時間為30min，從而得到高度取向的單疇本征型碳納米管液晶彈性體。在非共價(jià)鍵修飾法中，將碳納米管與液晶彈性體的前驅(qū)體在甲苯溶劑中混合，利用功率為200W