液晶材料作為一類獨(dú)特的物質(zhì)，在現(xiàn)代科技領(lǐng)域占據(jù)著關(guān)鍵地位。它處于各向同性液體和有序固體之間的特殊狀態(tài)，兼具液態(tài)流動(dòng)性與分子排列有序性，這賦予了它對(duì)外部微小作用的高度敏感性和顯著的變化響應(yīng)能力。如今，液晶材料廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦和電視等電子產(chǎn)品顯示屏，是信息時(shí)代不可或缺的基礎(chǔ)材料。隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，2025年液晶材料行業(yè)在制備方法、加工制造技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用探索等方面不斷突破，展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。

  一、液晶材料的制備方法：從傳統(tǒng)到創(chuàng)新

  液晶彈性體作為液晶材料的重要分支，是由液晶基元和聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的智能軟材料。《2025-2030年全球及中國(guó)液晶材料行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，其制備方法對(duì)性能起著決定性作用，常見的制備單疇?wèi)B(tài)液晶彈性體的策略包括一步聚合法、兩步聚合法和動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)法。

  一步聚合法是將液晶單體小分子與交聯(lián)劑、引發(fā)劑混合，在加熱至相轉(zhuǎn)變溫度以上、低黏度狀態(tài)時(shí)，借助外場(chǎng)刺激或表面誘導(dǎo)使其取向，隨后通過光引發(fā)或熱引發(fā)直接聚合，形成交聯(lián)的液晶彈性體網(wǎng)絡(luò)。這種方法能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜可控的液晶取向，比如制備自調(diào)控光響應(yīng)性智能液晶彈性體人工虹膜，但它對(duì)場(chǎng)強(qiáng)和尺度要求苛刻，一般僅適用于幾百微米以內(nèi)厚度的薄膜制備。

  兩步聚合法先讓液晶單體與交聯(lián)劑在催化劑作用下預(yù)交聯(lián)，形成輕度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，再通過外力使液晶基元取向，最后二次交聯(lián)固定取向。該方法可制備大尺寸液晶彈性體薄膜，不過傳統(tǒng)的兩步硅氫化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制難度大。后來改進(jìn)采用相互正交的反應(yīng)，像巰基 - 烯邁克爾加成反應(yīng)與丙烯酸酯雙鍵自由基聚合反應(yīng)，大大提升了制備的簡(jiǎn)易性和重復(fù)性。

  動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)法是在液晶彈性體網(wǎng)絡(luò)中引入可發(fā)生交換反應(yīng)的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，克服了傳統(tǒng)共價(jià)交聯(lián)的不可逆性。當(dāng)溫度升高至反應(yīng)轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，化學(xué)鍵交換反應(yīng)使高分子網(wǎng)絡(luò)重排，實(shí)現(xiàn)液晶彈性體在多疇?wèi)B(tài)和單疇?wèi)B(tài)之間的轉(zhuǎn)變，同時(shí)賦予材料可編程性、再加工性、可回收性以及自修復(fù)性能。

  二、液晶材料的加工制造技術(shù)：邁向先進(jìn)化與多樣化

  在液晶材料加工制造方面，傳統(tǒng)技術(shù)常局限于制備簡(jiǎn)單形狀的液晶彈性體，如薄膜、棒材等。近年來，隨著對(duì)液晶材料設(shè)計(jì)策略理解的加深，多種先進(jìn)加工制造技術(shù)涌現(xiàn)，為制備復(fù)雜形狀和取向圖案的液晶彈性體提供了可能。

  機(jī)械拉伸取向技術(shù)基于兩步聚合法，在液晶彈性體第一次部分交聯(lián)后，施加機(jī)械應(yīng)力使其取向，再二次交聯(lián)固定。它能實(shí)現(xiàn)拉伸、彎曲和扭曲等基本形狀編程，還可通過施加非均勻應(yīng)力場(chǎng)或結(jié)合定制模具，制備復(fù)雜形狀的單疇?wèi)B(tài)液晶彈性體，如內(nèi)部嵌有螺旋金屬絲的液晶彈性體纖維，該纖維兼具驅(qū)動(dòng)和反饋功能。

  3D 打印技術(shù)為液晶材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來革新。直接墨水書寫法是常用的制備液晶彈性體的 3D 打印方法，打印油墨由可聚合液晶低聚物和光引發(fā)劑組成，利用其粘彈性和剪切變稀現(xiàn)象，在擠出過程中使液晶基元取向并光聚合。通過調(diào)整打印參數(shù)，能打印出梯度變形的三維結(jié)構(gòu)，但分辨率受針頭直徑限制。數(shù)字光處理 3D 打印技術(shù)分辨率較高，可打印更復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)，能制備具有可調(diào)彎曲曲率和響應(yīng)時(shí)間的人造肌肉軟致動(dòng)器，不過基底移動(dòng)可能破壞液晶基元取向，需要額外手段恢復(fù)。

  紡絲技術(shù)可將液體或固體前體材料轉(zhuǎn)化為具有特定結(jié)構(gòu)和性能的連續(xù)纖維，用于制備液晶彈性體纖維的方法有靜電紡絲、干法紡絲和濕法紡絲等。液晶彈性體纖維具備出色的機(jī)械和致動(dòng)性能、多刺激響應(yīng)性和快速響應(yīng)特點(diǎn)，通過捻線、縫合和織造等工藝，還能將其加工成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的紗線或紡織品，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

  三、液晶材料智能結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模式：模仿自然實(shí)現(xiàn)多樣功能

  隨著液晶材料制備和加工工藝的飛速發(fā)展，不同形狀和取向圖案的液晶彈性體在外部刺激下能展現(xiàn)出豐富多樣的形狀變化和運(yùn)動(dòng)功能。通過模仿自然界中軟體動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，液晶彈性體制成的智能結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了爬行、滾動(dòng)、跳躍等多種運(yùn)動(dòng)形式。

  爬行運(yùn)動(dòng)是自然界常見的運(yùn)動(dòng)模式，液晶彈性體軟體機(jī)器人通過模仿尺蠖等生物，利用自身變形實(shí)現(xiàn)爬行。有的機(jī)器人由可變形加熱器、傳感器、聚酰亞胺薄膜和摻雜炭黑的液晶彈性體復(fù)合材料組成，通電時(shí)液晶彈性體收縮，與聚酰亞胺膜收縮率不匹配產(chǎn)生彎曲變形，通過有序通電和斷電實(shí)現(xiàn)連續(xù)爬行，還能借助傳感器實(shí)現(xiàn)自主驅(qū)動(dòng)。還有的機(jī)器人能雙向爬行、穿過狹窄間隙，甚至在不同形貌表面爬行并翻越障礙物。

  在自然界中，許多動(dòng)物通過滾動(dòng)躲避危險(xiǎn)或追趕獵物。液晶彈性體也能實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)單的圓柱形單疇?wèi)B(tài)液晶彈性體棒狀結(jié)構(gòu)在熱表面或光照下可自主滾動(dòng)，通過改變結(jié)構(gòu)，如制備扭曲液晶彈性體條帶、由不同驅(qū)動(dòng)溫度的液晶彈性體鉸鏈組成的平面結(jié)構(gòu)等，能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的滾動(dòng)功能，如自主轉(zhuǎn)動(dòng)方向、從迷宮中自主逃生、無約束自推進(jìn)運(yùn)動(dòng)以及多方向滾動(dòng)等。

  跳躍運(yùn)動(dòng)也是液晶彈性體智能結(jié)構(gòu)的重要運(yùn)動(dòng)模式之一。受彈尾蟲等動(dòng)物跳躍的啟發(fā)，含偶氮苯的液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)薄片、碳納米管 - 液晶彈性體三葉板雙折疊結(jié)構(gòu)等在光刺激或光熱驅(qū)動(dòng)下能實(shí)現(xiàn)跳躍，且跳躍高度、角度和方向可調(diào)控。此外，引入突彈跳變機(jī)制的液晶彈性體在熱表面上能實(shí)現(xiàn)快速跳躍，還有的液晶彈性體軟體機(jī)器人能在光控條件下實(shí)現(xiàn)爬行和跳躍的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)。

  四、液晶材料的響應(yīng)速度調(diào)控方法：突破應(yīng)用瓶頸

  液晶彈性體作為人工肌肉應(yīng)用于構(gòu)建軟體機(jī)器人時(shí)，響應(yīng)速度慢成為限制其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。為解決這一問題，研究人員探索出多種策略。

  減小液晶彈性體特征尺寸是提高響應(yīng)速度的有效方法之一。液晶彈性體纖維具有響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，靜電紡絲可制備微纖維，通過調(diào)整紡絲參數(shù)能控制其直徑，但存在直徑不均勻和液晶基元取向不一致的問題。干法紡絲制備的液晶彈性體微纖維直徑均勻，可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大致動(dòng)應(yīng)變。多牽伸紡絲技術(shù)能生產(chǎn)直徑均勻可控的單疇?wèi)B(tài)液晶彈性體纖維，性能優(yōu)異。此外，超薄液晶彈性體薄膜也展現(xiàn)出快速致動(dòng)和高功率密度的特點(diǎn)，不過其驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較小，可通過組裝多個(gè)薄膜改善。

  引入主動(dòng)加熱 / 冷卻系統(tǒng)也是調(diào)控液晶材料響應(yīng)速度的重要途徑。傳統(tǒng)液晶彈性體致動(dòng)器依靠被動(dòng)熱擴(kuò)散冷卻，速度較慢。引入微流體通道，通過注入低溫流體可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻，提高響應(yīng)速度并保持較大驅(qū)動(dòng)力，但存在層間粘合弱易分層的問題。后來制備的含動(dòng)態(tài)二硫鍵的流體驅(qū)動(dòng)液晶彈性體致動(dòng)器解決了這一問題。基于珀?duì)柼?yīng)的熱電裝置嵌入液晶彈性體中，能實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)冷卻，使液晶彈性體響應(yīng)速度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，還具備能量收集等高級(jí)功能。

  五、液晶材料的發(fā)展總結(jié)與展望：機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

  液晶材料在 2025 年取得了顯著的技術(shù)進(jìn)展，在制備方法上，多種策略不斷完善和創(chuàng)新，為獲得高性能液晶彈性體提供了保障;加工制造技術(shù)的進(jìn)步使液晶彈性體能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的形狀和取向設(shè)計(jì)，拓展了其應(yīng)用范圍;通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，液晶彈性體智能結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出豐富多樣的運(yùn)動(dòng)模式，在軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大潛力;響應(yīng)速度調(diào)控方法的研究也在一定程度上突破了應(yīng)用瓶頸。

  然而，液晶材料的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。其制備過程涉及多種化學(xué)試劑，操作流程繁瑣，需要開發(fā)易于操作、高重復(fù)性的商用材料，提高通用性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，熱響應(yīng)液晶彈性體的相轉(zhuǎn)變溫度與生物應(yīng)用溫度不匹配，雖有學(xué)者探索改進(jìn)方法，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化。此外，大多數(shù)液晶彈性體致動(dòng)器能量效率低，智能化程度有待提高，未來需要跨學(xué)科合作，將其致動(dòng)行為和反饋元件與人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)結(jié)合，推動(dòng)液晶材料在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

  隨著科技的不斷進(jìn)步和各領(lǐng)域研究的深入，液晶材料有望在未來取得更多突破。預(yù)計(jì)會(huì)有更多高性能、多功能的液晶材料被開發(fā)出來，在軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)、智能穿戴等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為人們的生活和科技發(fā)展帶來更多驚喜。

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