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清华大学AM:液晶弹性体纤维实现超快热驱动

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液晶弹性体(LCE)纤维因其大而可逆的变形能力,在人工肌肉、软体机器人、仿生器件和传感等领域具有广阔前景。然而,面向超快热响应和高功率输出的 LCE 纤维制备方法仍然有限,影响其热驱动性能的因素也有待深入探索。以往研究常通过引入固体或非响应掺杂材料来转换刺激形式、优化加热效率,但这类材料与 LCE 机械性能不匹配,可能对纤维变形产生负面影响。因此,提升本征 LCE 的热响应能力成为关键,主要策略包括减小纤维直径和优化纤维取向;而功率密度由驱动速度和负载能力共同决定,理想 LCE 纤维必须同时具备细直径和高取向。静电纺丝能够产生细纤维,并借助电场促进液晶基元轴向取向,但相关研究仍稀少,性能提升有限,该领域尚处初期。为此,研究提出基于静电纺丝的串联取向策略。

清华大学杨忠强副教授、袁金颖教授合作,提出一种基于静电纺丝的串联取向策略,用于制备高度取向 LCE 纤维。所得纤维有序参数高达 0.78,并在热刺激下表现出优异的驱动性能:驱动应变达 80%,驱动速度为 1485% s⁻¹,峰值功率密度为 6105 W kg⁻¹。进一步研究发现,驱动性能可通过共振显著增强;在恒定加热条件下,调节加热频率可使 LCE 纤维的驱动速度最高放大 10 倍,实现类似昆虫振翅的仿生能量效率优化。该 LCE 纤维在需要超快、高效热驱动的场景中展现出良好应用潜力。相关论文以“High-Performance Liquid Crystal Elastomer Fibers via a Tandem Alignment Strategy”为题,发表在Advanced Materials上。


在方法上,该工作以 RM257 为液晶单体、HDT 为间隔基、DPA 为催化剂,通过硫醇与丙烯酸酯基团的迈克尔加成反应合成液晶低聚物,并与光引发剂 I651 混合制备电纺墨水(图1a)。电纺过程中,低速滚筒收集的非取向液晶低聚物纤维毡呈随机无序排列(图1c),高速滚筒收集的取向纤维毡排列良好(图1d)。随后,取向纤维毡被成形为纤维,经紫外预交联、热拉伸和二次紫外交联,获得高度取向的 LCE 纤维(图1b、图1e)。为定量确认取向程度,X 射线衍射显示,非取向纤维毡无明显峰结构(图2e),取向纤维的峰比取向纤维毡更尖锐(图2f、图2g),计算得到有序参数为 0.78(图2h)。该策略的核心在于,将电纺过程中的原位取向与后续串联拉伸结合,使纤维在已有较好取向的状态下引入交联点,从而兼顾细直径和高取向。


图1 (a)由 RM257 和 HDT 组成的液晶低聚物的化学结构。将液晶低聚物与光引发剂 I651 混合以制备用于静电纺丝的墨水。(b)电纺 LCE 纤维材料制备的示意图。扫描电子显微镜图像:(c)非取向液晶低聚物纤维毡;(d)取向液晶低聚物纤维毡;(e)取向 LCE 纤维。比例尺:100 µm。


图2 (a)非取向纤维毡、(b)取向纤维毡和(c)取向纤维的偏振光学显微镜图像(白色虚线表示 LCE 纤维的位置)。比例尺:100 µm。(d)光通过厚度不均匀的电纺纤维毡的示意图。(e)非取向纤维毡、(f)取向纤维毡和(g)取向纤维的 X 射线衍射图案的方位角强度分布。(h)不同方法制备的 LCE 纤维有序参数比较[6,18,27–37]。

在驱动性能方面,加热后的 LCE 纤维可收缩并提起蜂鸟吊坠(图3a);直径为 118 µm 的纤维在 150°C 达到最大驱动应变 63%(图3b)。驱动速度随纤维直径减小而显著提高,40 µm 纤维在 300°C、0.3 MPa 下可达 1461% s⁻¹(图3c),并随热源温度升高而增加(图3d)。在 300°C 下,不同施加应力范围内,纤维最大驱动应变达 80%、最大驱动速度为 1485% s⁻¹(图3f),峰值功率密度为 6105 W kg⁻¹(正文)。基于该超快纤维,研究还构建了肘部骨骼手臂模型,纤维在仅 0.125 s 加热后,0.24 s 内使前臂抬起 Δθ > 50°,平均速度达 225° s⁻¹(图3k,概念见图3j),展示了其作为人工肌肉的应用潜力。


图3 (a)加热的 LCE 纤维提起蜂鸟吊坠的机理示意图。(b)直径为 118 µm 的 LCE 纤维的驱动应变随温度的变化。纤维驱动性能对(c)直径、(d)热源温度、(e)施加应力(在 150°C 温度下)和(f)施加应力(在 300°C 温度下)的依赖关系。(g)纤维在 150°C 和 200°C 下驱动应变演化的比较(直径 92 µm,施加应力 0.2 MPa)。(h)不同热源温度下纤维在各极值点的驱动应变(直径 92 µm,施加应力 0.2 MPa)。(i)三个驱动参数的比较三维散点图[16–18,42–45]。(j)人臂中的肱二头肌通过收缩和松弛使手臂弯曲。草图图像由 GPT-image-1 生成(访问于 2025 年 12 月),随后由作者修改。所有内容均由作者审查以确保概念准确性。AI 披露仅适用于(j)图。(k)由超快 LCE 纤维驱动的手臂模型。

进一步研究发现,该 LCE 纤维的热驱动性能可通过振荡与共振调控。在 10 Hz 加热频率下,纤维驱动重物明显振荡(图4b);驱动应变和驱动速度均在 10 Hz 达到最大值,分别为 38% 和 766% s⁻¹,速度达到低频 1 Hz 时的 10.8 倍,功率密度由 222 W kg⁻¹ 提升至 2394 W kg⁻¹(图4j及正文)。研究指出,当加热频率接近系统固有频率时,振幅因共振而急剧增加;同时,粘弹性 LCE 的动态模量随频率升高而增加,使刚度与固有频率上升,从而形成先下降、后上升、再下降的竞争趋势。施加应力可通过拉伸硬化效应调节共振频率,而纤维直径对共振行为影响相对不敏感。基于该机制,超快纤维驱动的仿生振翅可在 15 Hz 高频下往复振荡,1.39 s 内完成 20 多个循环(图4k),表明其在高频仿生设计中的潜力。


图4 (a)黄蜂和其他昆虫的翅膀高频振动。草图图像由 GPT-image-1 生成(访问于 2025 年 12 月和 2026 年 1 月),随后由作者修改。所有内容均由作者审查以确保概念准确性。AI 披露仅适用于(a)图。(b)LCE 纤维在 10 Hz 加热频率下驱动重物振荡。直径为 117 µm 的纤维(施加应力 0.4 MPa)在(c)1 Hz、(d)2 Hz、(e)4 Hz、(f)6 Hz、(g)8 Hz、(h)10 Hz 和(i)12 Hz 下进行热驱动振荡的驱动应变-时间曲线。(j)热驱动振荡的驱动应变和驱动速度随加热频率的变化。(k)由超快 LCE 纤维驱动的仿生振翅的弯曲振荡运动。

在应用验证方面,研究利用超快 LCE 纤维、镜子和激光构建了简单摩尔斯电码装置(图5a),通过纤维可逆收缩控制镜子反射角度,成功将加热频率变化转换为“THU”的摩尔斯电码信号(图5b),说明其可将热刺激快速转换为光信号并减少热滞后。研究还构建了高温报警电路(图5c),利用纤维高温收缩抬起导电铜箔,在热源与纤维保持约 1.1 cm 距离、模拟锂离子电池局部过热场景下,纤维暴露于 120°C 热源后约 40 ms 内,灯泡完全熄灭、蜂鸣器发出报警声(图5d),展示出集保护与报警于一体的应用潜力。


图5 (a)基于超快 LCE 纤维、镜子和激光的简单摩尔斯电码装置示意图。卡通人物由 ChatGPT images 2.5 生成(访问于 2026 年 9 月),仅用于视觉呈现。AI 披露仅适用于(a)图。(b)使用简单摩尔斯电码装置传输“THU”信号。(c)由超快 LCE 纤维构建的高温报警电路示意图。(d)约 40 ms 后,超快 LCE 纤维悬挂起包裹有导电铜箔的负载,断开电器并启动蜂鸣器。

研究最终提出,将串联取向策略与静电纺丝结合,可制备高度取向且热驱动性能优异的 LCE 纤维。电纺原位取向与后续二次拉伸有效结合,使纤维同时实现细直径(低至 40 µm)和高取向度(有序参数 0.78)。该 LCE 纤维在驱动应变 80%、驱动速度 1485% s⁻¹、功率密度 6105 W kg⁻¹ 三项关键参数上均表现突出;其功输出还可通过频率调制,在共振时放大至低频的 10.8 倍,为高频仿生设计提供了可能。基于该超快纤维,研究展示了从经典人工肌肉到热控编码传输,再到面向电池热失控的高温报警器件等一系列应用。该工作表明,串联取向电纺 LCE 纤维有望通过阵列设计实现更复杂、超快响应行为,在运动辅助、软体机器人、安全通信和热监测系统等领域具有重要潜力。

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