碳纳米管/液晶弹性体复合材料的力学性能

近年来,碳纳米管/液晶弹性体复合材料凭借其稳定高效的光热性能,成为目前刺激-响应液晶弹性体领域的一个重要研究方向,但目前研究者大多重点关注其光响应行为及使用场景,并未系统研究碳纳米管对液晶弹性体材料力学性能的影响。本文通过物理掺杂的方法制备了不同质量分数的碳纳米管/液晶弹性体复合材料,并利用傅里叶红外光谱、差示扫描量热仪、广角X射线衍射仪、动态热机械分析仪等对制备的复合材料进行热学、液晶性质和力学性能的表征及分析。实验结果表明,碳纳米管的掺杂量对复合材料的力学性能有明显影响,其中掺杂质量分数8%的单壁碳纳米管的液晶弹性体复合材料的力学性能最为优异。在30℃时,断裂强度为5.62 MPa,断裂伸长率为182%;在85℃(清亮点温度之上)时,其断裂强度为1.62 MPa,断裂伸长率为89%。相对于纯液晶弹性体薄膜材料而言,质量分数8%碳纳米管的液晶弹性体复合材料的断裂强度接近纯液晶弹性体薄膜的3倍,且可以实现最大收缩率为45%的可逆伸缩形变,在人造肌肉、软体机器人等智能材料领域表现出有良好的应用前景。     

响应形变液晶高分子的取向方法和功能开发

液晶高分子是同时具有液晶各向异性和高分子力学特性的功能高分子。在液晶高分子中引入具有光化学异构化或者光热响应的结构单元，可以使其在光或者热刺激下发生相转变，引发宏观形状变化。通过一步或两步的取向方法可以对液晶高分子中液晶基元的取向方向进行调控，实现材料的变形编程。液晶高分子形态上的变化在仿生软机器人、微流控、柔性执行器、结构色和防伪等领域有潜在的应用价值。本文介绍了液晶高分子主要的取向技术和开发出的基于形状变化的器件功能，并展望了液晶高分子形变材料在高新科技领域的应用前景。     

基于动态共价键的液晶弹性体可逆三维结构加工方法研究进展

液晶弹性体是一类在外界刺激(如热、光、电、磁等)下能够产生宏观可逆形变的智能材料。液晶弹性体必须经过取向后才能够展现宏观可逆形变性能。动态共价键在一定的条件下可以发生可逆断裂与再生成,能够改变传统共价交联网络的拓扑结构,因此可被用于液晶弹性体的取向中。液晶弹性体可构筑具有一定形状、且在外界刺激下能够产生可逆形变的智能三维结构,在生物医药、组织工程、航空航天以及柔性机器人等多种领域具有广阔的应用前景。基于动态共价键取向法,对液晶弹性体进行三维空间取向或对液晶弹性体进行组装,有助于提高液晶弹性体可逆三维结构的复杂性,并丰富其形变模式。本文对基于动态共价键的液晶弹性体可逆三维结构的加工方法进行综述,并对该领域的挑战和机遇进行分析。     

改变本征形变特性：机械超材料启发的液晶弹性体研究进展

液晶弹性体是一类集成了液晶相的各向异性和聚合物基质的力学特性的材料,具有可操控的自主形变能力,在柔性电子、光学器件及生物医疗技术等诸多领域有广阔的应用前景。液晶弹性体的高级功能主要来源于其制备过程的处理方法和几何结构的构筑方式。不同的取向策略和结构的组合能够赋予材料复杂的形变模式和功能特性。近年的研究发现,将机械超材料与液晶弹性体结合能够实现常规材料设计难以实现的功能和特性,实现如双轴驱动、加热膨胀、多维运动等功能,应用在生物医疗、无电子传感、振动控制等领域。本文综述了利用超材料结构设计思路对液晶弹性体的取向及几何结构进行同步构筑的设计方法及其应用,介绍了3D打印技术在构建人造有序结构方面的应用及对材料性能的影响。     

响应型液晶材料研究

响应型液晶材料是指既具有液晶特性又能对外场的刺激做出相应尺寸变化的一类材料.目前,光机械效应液晶材料是响应型液晶材料研究的重点.文章对单层、聚合物以及液晶弹性体这三类主要的响应型材料体系进行了介绍和分析,探讨了它们对外界光刺激的尺寸响应及其致动机理,并对响应型材料的应用前景进行了展望.     

氧化石墨烯液晶的光电特性与显示应用

石墨烯作为二维材料中的明星,它的发现与深入研究对半导体、新能源、新材料、生物科学等众多领域产生了巨大影响。本文系统地介绍了石墨烯的氧化物,氧化石墨烯作为液晶材料(Graphenen oxide-LC)在透过型显示和全彩反射型显示两个方向的研究成果。当氧化石墨烯液晶用于透过型显示材料时,它具有高科尔系数、易于交流电场驱动、开启电压小、光电响应迅速等诸多优异的光电物理特性。同时氧化石墨烯液晶也具有可控光子晶体结构的特点,也可用于反射型显示器件。实验发现,随着氧化石墨烯液晶的浓度降低,液晶光子晶体的反射波长会产生红移,同时可观察到两个可视波长范围内的布拉格反射循环序列。进一步利用水平方向的交流电场可实现对氧化石墨烯液晶的光电器件在可视光波段内光的反射强度的控制。系列研究展示出氧化石墨烯具有优秀的光性能与应用潜力,同时也为二维液晶材料在低功耗光电器件与显示器件进一步的研究与推广提供了参考与新思路。     

胆甾相液晶弹性体的研究进展

胆甾相液晶弹性体（Cholesteric liquid crystal elastomer, CLCE）是一种新型的软智能材料,它将胆甾相液晶（Cholesteric liquid crystal,CLC）独特的光学性质与弹性体优异的力学性能结合到一起。相较于普通的CLC,CLCE具有可逆、无延迟的力学调控能力,将CLC刺激响应性的利用提升到了新的高度,在信息加密防伪、柔性致动器、力学传感等领域引起了越来越多的关注。随着相关研究的深入,CLCE的制备方法不断完善,材料性能不断提高,CLCE的各种潜在应用被挖掘出来。本文介绍了CLCE的基本特点、制备与取向方法,以及不同类型的外场刺激响应行为,并对CLCE的应用前景进行了展望。     

聚合物分散液晶膜中液晶分子的电场取向效应

制备了液晶微滴在聚合物基体中呈独立分散且具有不同尺度的ＰＤＬＣ复合膜，利用偏光显微镜实时地观察了微滴内液晶织构在适度电场作用下的变化特性，获得了有关微滴内液晶分子的动态取向信息。实验发现，当施加的电压由饱合值降低时，不同尺度的微滴内液晶分子呈不同的电场取向效应，对直径大于十几微米的微滴，液晶分子易呈现较强的取向滞后效应，而直径在微米量级的液滴其液晶分子的电场取向滞后效应相对减少。微滴内液晶分子的这种取向滞后效应正是ＰＤＬＣ膜在宏观上呈现光透过率滞后现象的反映。从作用能的角度出发，讨论了影响微滴内液晶分子取向滞后效应的因素，如微滴与基体的界面作用、液晶微滴的形状、电容效应以及工作温度等。     

光驱动液晶聚合物振动器研究进展

光响应液晶聚合物在光化学(如偶氮苯)或者光热(如氧化石墨烯)作用下发生有序-无序转变,进而产生宏观形变,是一类被广泛研究的智能材料。目前光驱动液晶聚合物振动器的实现主要有两种途径：一是紫外或者可见光连续照射时,偶氮苯液晶聚合物的力学特性发生非线性变化,驱动器呈现无规振动;二是通过构筑非平衡系统,利用驱动器运动过程中的自遮挡效应,在光源连续照射下自发地产生周期性、连续性运动,可用于光学信号调制、移动机器人、能量转换、轧机、马达等。本文综述了光驱动液晶聚合物振动器领域的研究进展,详细介绍了其设计原理、运动机理以及应用领域,对未来的发展趋势做出了展望。     

液晶弹性体微结构及其应用

液晶弹性体因其可编程的形变与高达400%的应变而在微型医用机器人、可调控表面微结构、微流控等微观尺度领域有着重要的潜在应用。液晶弹性体微结构的制作需要同时兼顾高分辨率分子取向和高精度微米尺度结构,对分子取向和微纳加工技术有着很高的要求。本文综述了液晶弹性体分子取向的方法和微结构的先进加工技术,总结了其在微驱动器、人工肌肉纤维、可调控表面等方向的应用进展,并展望了液晶弹性体微结构在微型医用机器人领域的未来发展趋势。     

近红外光响应液晶纳米智能材料

随着人工智能的快速发展,开发响应速度快、效率高、制备简单且易加工的智能材料具有重要的意义。近年来,近红外光(Near-Infrared,NIR)响应液晶纳米智能材料受到研究人员的广泛关注。将具有近红外吸收特性的功能纳米材料与液晶智能材料复合,制备近红外响应液晶纳米智能材料,在可穿戴电子设备、仿生器件、软体机器人、生物医学器件等诸多方面都具有潜在应用。本文综述近年来在近红外响应液晶纳米光子晶体与液晶纳米致动器方面的重要研究进展。液晶纳米光子晶体是将功能纳米材料与手性液晶(如胆甾相和蓝相液晶)复合,在红外光刺激下其结构色能够发生可逆变化;液晶纳米致动器是将功能纳米材料与交联液晶聚合物复合,在红外光刺激下智能液晶薄膜能够发生形状变化或宏观运动。最后讨论了近红外光响应液晶纳米智能材料在未来发展和潜在应用中存在的机遇和挑战。     

取向层参数对响应时间的影响

为了减小液晶波前校正器的响应时间,本文结合光控取向技术,研究了取向层预倾角及锚定强度特性对器件响应性能的影响。以液晶动力学方程为依据,分析预倾角效应对液晶器件响应时间的影响;利用预倾角及锚定强度与响应时间的定量关系,推导出锚定强度与预倾角的关系,从而简化了锚定强度的测量方法。采用光谱法监测了光控取向膜的取向度;以此为依据,利用4种不同曝光方式获得了不同的预倾角。理论模拟及实验结果一致表明:偶氮染料分子(SD1)获得一定的锚定强度后,通过降低其预倾角角度,其所制器件的响应性能实现了优化。     

近晶相液晶超结构的多元外场调控

利用液晶的自组装和刺激响应特性,实现近晶相液晶多层级超结构的灵活构筑、动态操控和多功能应用对于激发更多前沿的创新性功能器件并推动液晶超结构的实用化进程具有重要意义。本文从近晶相液晶超结构的生长制备、多元外界刺激对缺陷结构的调制方法和动态调控规律等方面进行系统研究。首先,探究了图案化取向场和旋涂条件对近晶相液晶拓扑超结构的形态与大小的操控;然后,验证了焦锥畴超结构的微透镜成像功能,并通过材料复合优化和引入聚合物稳定策略,实现了正方焦锥畴阵列在35℃下（向列相）的电刺激动态调控性能;最后,研究了手性、光场和热场对双相态液晶超结构带来的多维度调控。本研究充分利用光取向场、聚合物网络、电场、手性、光场等多元外场刺激,实现了对近晶相液晶多层级超结构的多维度调控。     

氧化程度对热剥离石墨烯电化学性能的影响

采用改进Hummers法,在不同KMnO4用量下制得了不同氧化程度的系列氧化石墨,并以其为前驱体在N2中经400℃热还原制备了石墨烯。利用XRD、FT-IR、Raman光谱与SEM表征了所得石墨烯的结构、官能团及表面形貌,通过循环伏安和恒流充放电测试研究了氧化石墨的氧化程度对石墨烯电化学性能的影响。结果表明,当KMnO4用量较低(1.0 g)时,前驱体氧化程度较低,不能被剥离;当KMnO4用量较高(≥1.0 g)时,前驱体氧化程度增高,可实现剥离制备石墨烯。随着前驱体氧化程度增加,所制石墨烯堆叠层数与sp2平均尺寸逐渐减小,含氧官能团与缺陷逐渐增多,比容量逐渐增大。     

电场频率对可双频驱动蓝相液晶温域及电光性能的影响

为了制备快速响应的蓝相(BP)液晶电光器件,并研究其在不同电场频率下的响应,本文首先合成了双频液晶分子(DFLC),将其加入蓝相母体液晶中,得到了可双频驱动的蓝相液晶(DF-BPLC)材料。利用偏光显微镜(POM)在不同频率的电场下观察其织构及相变行为,通过添加DFLC,可以调控BP温域。在低频电场下,由于电场取向作用及DFLC的弯曲结构和挠曲电效应可使得BP温域得到拓宽。但在高频电场下,BP温域有所减小。所制备DF-BPLC材料既具有频率响应特性又具有优异的电光性能,在光电器件中有很好的应用前景。     

液晶栅介质场效应晶体管及突触行为模拟

采用液晶E7作为栅介质,聚异靛蓝噻吩乙烯噻吩(PII-TVT)作为半导体,利用光刻/蚀刻技术制备了漏极-源极-栅极(D-S-G)共面的有机场效应晶体管器件,并测试了晶体管性能,对液晶作为栅介质应用于有机场效应晶体管进行研究。实验结果表明,器件表现出比较特别的晶体管性能,开关比达到10~3。通过光学显微镜观察发现,施加栅极电压后液晶发生形变,表明栅极电压对电极上的液晶分子的取向排列有较大影响。在施加脉冲栅压时,沟道电流随着脉冲栅压时间的延长而增强。利用液晶分子在电场下发生极化和迟滞作用,可一定程度上模拟突触的刺激时间依赖性。     

非等光强正交圆偏振光对液晶偏振光栅衍射特性的影响

在实际的制备过程中,不可避免地存在非等光强正交圆偏振光制备液晶偏振光栅的情况。为了探究这种情况对制备出的液晶偏振光栅的衍射特性有何影响,本文首次从理论上,利用琼斯矩阵法推导计算出该情况下液晶偏振光栅的衍射特性。首先,计算出两束非等光强正交圆偏振光叠加后的偏振态分布。其次,利用斯托克斯参数表征叠加光场对光控取向膜的折射率响应矩阵。最后,以该响应矩阵为基础,求得液晶偏振光栅的2×2琼斯矩阵。结果表明,非等光强正交圆偏光制备的液晶偏振光栅理论上可以实现0级和1级的光强分布同时受液晶盒盒厚和入射光偏振态的调制,实现0级或±1当中任意级次衍射效率可达100%。在非等光强正交圆偏振光情况下,制备出的液晶偏振光栅依然具有良好的光学特性。     

石墨烯/硅异质结光电导型探测器光电响应及噪声

设计并制备了石墨烯/硅异质结光电导型光电探测器,重点分析了光电响应与噪声性能。相比纯硅光电导探测器,石墨烯/硅异质结光电导探测器对635 nm波长激光的净光电流从20μA提升至260μA,与此同时,其1 Hz噪声幅值从3.2×10^-17 A²/Hz增加至2.1×10^-16 A²/Hz。进一步比较两种探测器的相对信噪比(净光电流/1 Hz噪声幅值),发现石墨烯/硅异质结探测器的相对信噪比(1.2×10¹⁸)优于纯硅探测器的(6.3×10¹⁷)。此外,探究了石墨烯条带尺寸对于光电响应及噪声的影响,发现随着石墨烯条带长度的增加,探测器的光电响应与噪声呈下降趋势;随着石墨烯条带宽度的增加,探测器的光电响应与噪声呈上升趋势。进一步比较了不同石墨烯条带长宽比探测器的净光电流与相对信噪比,发现净光电流随着长宽比的增大而减小,而相对信噪比随着长宽比的增大而增加。此外,通过沉积Al₂O₃对探测器的噪声进行了抑制。最后,利用栅压调制...     

斜蒸SiO2膜铁电液晶分子取向特性

1、引言铁电液晶具有高速响应和存储特性而应用于显示器件.和向列型液晶一样,无需采用TFT驱动方式,可考虑采用简单矩阵电极的静态驱动和多路驱动.此外其高速响应特性可满足电视显示需要,现正广泛进行研究开发.在应用铁电液晶作液晶显示材料时,必须开发室温下稳定的铁电液晶、稳定地制备薄型大面积液晶板以及解决其取向方法、驱动方式等.     

三维多孔石墨烯的制备及其电化学性能研究

电极材料的孔径结构、尺寸、类型直接影响电极材料的电化学性能。文章利用水热反应与硝酸蒸汽处理两步法制备了三维多孔石墨烯材料,并通过控制硝酸蒸汽处理时间,研究其对电极材料电化学特性的影响。通过扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、X射线衍射等多种测试方法对得到的三维多孔石墨烯进行表征,并利用三电极测试方法,通过循环伏安、恒流充放电和电化学阻抗等电化学测试方法研究其电化学性能。结果表明,所制备的三维多孔石墨烯具有微孔与纳米孔相结合的三维结构,两者的协同作用使得三维多孔石墨烯表现出优异的电化学性能,在1A/g的电流密度下,比电容最高可达191.5F/g。