碳納米管/液晶復合材料的研究進展

郭曉征，安立寶，常春蕊

（1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學 理學院，河北 唐山 063210）

1 引言

液晶（Liquid Crystal，LC）是指介于液體狀態與晶體狀態之間的中介相或介晶態物質，既具有液體的流動性，又具有各向異性晶體所特有的雙折射性，是一種有機化合物［1］。因其獨特的場效應、雙折射特性以及對溫度的靈敏性，液晶材料被廣泛應用于液晶顯示［2］、非線性光學［3］、電光器件［4］、傳感器［5］、軟致動器［6-7］等領域。而碳納米管（Carbon Nanotubes，CNT）因其獨特的比表面積和量子禁錮現象，表現出優異的電學和光學特性［8-9］，在作為液晶材料添加劑方面更展現出優異性能。碳納米管與液晶分子可通過π-π相互作用結合，由于碳納米管的大尺寸，眾多液晶分子可在碳納米管表面有序錨定，增強液晶主體的取向序與介電行為，進而降低閾值電壓和提高響應速度。并且，碳納米管的多孔結構可吸附主體液晶中殘留的離子雜質，有效改善液晶介質的應用性能。然而，碳納米管間強范德瓦爾斯吸引相互作用大于碳納米管與液晶分子間的結合力，易使碳納米管發生團聚，降低復合材料的應用潛力。因此，在復合前可對碳納米管進行表面修飾［10］、摻雜原子［11］或改變形狀［12］，以提高碳納米管在液晶介質中的分散性，獲得碳納米管/液晶穩定復合體系。本文首先簡要概述了液晶、碳納米管的基本概念與分類，總結了碳納米管/液晶復合材料的制備方法，并著重討論了所摻碳納米管對液晶物理性質的影響，最后對碳納米管/液晶復合材料的應用進行了簡要介紹。

2 液晶與碳納米管簡述

2.1 液晶

液晶首先由奧地利植物學家F.Reinitzer于1888年發現。后來德國物理學家O.Lehman發現，這種類似液體的物質在偏光顯微鏡下顯示出晶體特有的雙折射特性，是一種具有流動性的晶體，故取名為“液晶”［13］。液晶一方面具有液體的流動性與連續性，另一方面又具有晶體的各向異性。

2.1.1 液晶的分類

液晶有多種分類方式，根據液晶分子幾何形狀，可分為棒狀分子、碟狀分子、條狀分子、碗狀分子、燕尾狀分子等。根據液晶形成方式，可分為熱致液晶和溶致液晶。熱致液晶的光電效應受溫度條件控制，而溶致液晶受控于濃度。當今用于顯示的液晶一般為熱致液晶。熱致液晶的種類有向列相、膽甾相與近晶相3種。

其 中，向列 相 液 晶（Nematic liquid crystal，NLC）是目前應用最廣泛的液晶，如熟知的溶劑型單體液晶5CB、負性液晶MBBA及混合液晶E7等。其分子排列一維有序，但分子質心無序，即不存在平移有序性，如圖1（a）所示。在正交偏光顯微鏡下，向列相液晶會呈現黑色絲狀結構（圖1（d）），黑絲中液晶指向與偏振片偏振化方向垂直或平行，黑絲兩端是液晶分子排列中指向矢連續突變形成的奇異點。膽甾相液晶分子排列具有螺旋扭曲特性。如圖1（b）所示，在與螺旋軸垂直的面內，分子排列類似于向列相液晶，而在沿螺旋軸方向相鄰截面間，分子指向方向存在偏轉，并沿螺旋軸方向呈扭曲螺旋結構。在正交偏光顯微鏡下，膽甾相液晶根據不同的表面錨定可呈現多種獨特的紋理織構，如在基板表面垂直錨定時，螺旋軸平行于基板排列，膽甾相液晶呈現類似指紋的條紋狀，如圖1（e）所示，被稱為指紋織構。近晶相液晶兼具取向有序性和平移有序性［14］，在排列結構上表現出層狀織構，層的厚度與分子長度接近，如圖1（c）所示。層間分子幾乎無關聯且易產生滑動，當分子取向沿層法線方向時，稱為近晶A相，當分子取向與層法線方向成特定傾角時，稱為近晶C相。在正交偏光顯微鏡下，近晶A相會形成近似橢圓的多邊形紋理織構，并疊加液晶分子的雙折射特性，呈現鮮艷的色彩，如圖1（f）所示［15］。

圖1 熱致液晶分子排列示意圖及正交偏光顯微照片。（a，d）向列相；（b，e）膽甾相；（c，f）近晶A相［14］。Fig.1 Schematic arrangement of thermotropic liquid crystal molecules and orthogonal polarization micrographs.（a，d）Nematic phase；（b，e）Cholesteric phase；（c，f）Near-crystalline A phase［14］.

溶致液晶常見的種類有層狀相液晶、六角相液晶與立方相液晶［16］，如圖2所示。層狀相結構中分子長軸互相平行且垂直于層平面；六角相結構中圓柱形聚集體互相平行且排列成六方結構；立方相結構中球形或圓柱形聚集體在溶液中成立方堆積，呈現面心或體心立方結構。

圖2 溶致液晶分子排列示意圖。（a）層狀相結構；（b）六角相結構；（c）立方相結構［16］。Fig.2 Schematic diagram of lyotropic liquid crystal molecular arrangement.（a）Layered phase structure；（b）Hexagonal phase structure；（c）Cubic phase structure［16］.

此外，根據液晶分子量大小，可將液晶分為小分子液晶與高分子液晶（Liquid Crystal Polymer，LCP）。其中小分子液晶分子量較小，主要應用于液晶顯示，而高分子液晶分子量較大，主要應用于高強度材料，在致動器、軟性機器人、傳感器等方面也具有廣闊的應用前景。下面基于分子量大小介紹液晶分子結構。

2.1.2 液晶的結構

用于顯示的小分子液晶多呈棒狀，主要由剛性核與柔性鏈兩部分構成。圖3為小分子液晶結構通式。式中，X、Y為柔性末端基團，如烷基（R）、烷氧基（RO）、氰基（CN）等；B為剛性環體系，如苯環、吡啶環、嘧啶環、二氧六環等；A為連接基團，又名中心橋鍵，如烯鍵（C==C）、亞乙基（CH2CH2）、酯基（COO）等；Z為側向基團，如三氟甲氧基（OCF3）、烷氧基（RO）等。剛性核從外觀上看通常呈近似棒狀或片狀，可由苯環或脂肪環通過剛性連接單元組成。剛性核的存在，在使液晶分子呈現線狀或片狀結構的同時，也使液晶像結晶那樣規則排列。而柔性鏈的存在可以改善液晶的穩定性，降低液晶主鏈對液晶基元排列與取向的限制，進而改善液晶的相變溫度，對液晶材料的介電、光學或其他各向異性性質起著重要作用。同時，也使液晶分子具有永久偶極矩或感應偶極矩，使液晶能夠像液體那樣自由移動。

圖3 小分子液晶結構通式Fig.3 General formula of small molecule liquid crystal structure

高分子液晶根據液晶基元在大分子鏈中的位置，可分為主鏈型與側鏈型，前者液晶基元分布在主鏈上，后者分布在側鏈上［17］。其中，主鏈型高分子液晶又可分為剛性主鏈型與半剛性主鏈型，如圖4（a～b）。而側鏈型高分子液晶又可分為尾接側鏈型與腰接側鏈型，如圖4（c～d）。此外，中國化學家周其鳳首次提出了甲殼型高分子液晶的概念［18-19］。甲殼型高分子液晶是液晶基元只通過一個共價鍵或很短的間隔基，在重心位置與高分子主鏈相連的高分子液晶，如圖4（e）。

圖4 高分子液晶結構示意圖。（a）剛性主鏈型；（b）半剛性主鏈型；（c）尾接側鏈型；（d）腰接側鏈型；（e）甲殼型。Fig.4 Schematic diagram of polymer liquid crystal structure.（a）Rigid main chain type；（b）Semi-rigid main chain type；（c）Tail-linked side-chain type；（d）Waist-linked side-chain type；（e）Shell type.

其中，主鏈型高分子液晶具有較大的剛性，從而具有較高的玻璃化溫度以及模量，適用于高性能工程材料，如Kelva纖維等。側鏈型高分子液晶通常具有很高的柔性，使得液晶基元對于外場響應迅速，適用于非線性光學與光電響應材料。而甲殼型高分子液晶雖在結構上屬側鏈型高分子液晶，但在性質上更接近主鏈型高分子液晶，可應用于耐高溫熱塑性彈性體、聚合物電解質、光致發光液晶、太陽能電池等方面［20］。

可見，小分子液晶與高分子液晶都包含堅硬部分與柔韌部分。小分子液晶具有化學結構明確、易提純、結晶性好和重復性高等優點［21］，而高分子液晶結合了液晶的特性與高分子優異的力學性能，具有大幅提高的熱穩定性、較大的相區間溫度、粘度大、流動行為與一般溶液顯著不同的特點。

2.2 碳納米管

碳納米管是1991年日本電氣股份有限公司的科學家Iijima［22］發現的一種新型碳結構，是繼C60之后碳家族中出現的又一新成員。它具有一維管狀結構及獨特的力學、電學和化學性質，引起了化學、物理、材料科學以及納米科技領域學者的極大關注。隨碳納米管合成技術與純化研究的不斷完善，其研究方向開始轉向化學修飾和應用方面。

2.2.1 碳納米管的分類

碳納米管是由單層或多層石墨片圍繞中心軸且按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米管，又稱巴基管，屬富勒碳系。按壁數不同，可分為單壁碳納米管（Single-wall carbon nanotubes，SWCNT）與多壁碳納米管（Multiwall carbon nanotubes，MWCNT），如圖5所示。單壁碳納米管的直徑通常在1～2 nm之間，長度為微米級甚至毫米級，因其直徑大小的分布范圍小、缺陷少，理論上單壁碳納米管具有較高的均勻一致性［23-24］。而多壁碳納米管的直徑通常在2～100 nm之間，長度可達幾毫米，層間距與石墨層相當，約為0.34 nm。可見，多壁碳納米管尺寸具有很高的分散性。

圖5 碳納米管結構示意圖。（a）單壁碳納米管；（b）多壁碳納米管。Fig.5 Schematic diagram of the structure of CNTs.（a）SWCNTs；（b）MWCNTs.

根據碳納米管中碳六邊形沿軸向的不同取向，可分為扶手椅型碳納米管、螺旋型碳納米管、鋸齒型碳納米管3種，如圖6所示。碳納米管也可以用手性矢量（n，m）來表征，如表1所示。n和m表示整數，當參數（n，m）確定時，碳納米管的結構也隨之確定。特別地，螺旋型碳納米管具有特殊的結構，即存在鏡像結構對應物，但并不能完全重合，如同左手與右手一樣，稱為手性，螺旋型碳納米管也稱為手性碳納米管。碳納米管的這種手性結構與DNA二級螺旋結構相似。研究表明，手性碳納米管具有優異的微波吸收性能［25］、特殊的電學性能與優越的力學性能等。

表1 碳納米管按手性矢量分類Tab.1 Classification of carbon nanotubes by chiral vector

圖6 碳納米管中碳六邊形沿軸向不同取向示意圖。（a）扶手椅型；（b）螺旋型；（c）鋸齒型。Fig.6 Schematic diagram of different orientations of carbon hexagons along the axial direction in CNTs.（a）Armchair type；（b）Helical type；（c）Zigzag type.

根據導電性，碳納米管又可分為金屬性碳納米管與半導體性碳納米管。碳納米管的導電性能與螺旋角和直徑有關，當n-m的結果為3的整數倍時，碳納米管表現為金屬性；當n-m的結果不為3的整數倍時，碳納米管表現為半導體性［26］。目前所制備的碳納米管為金屬性碳納米管與半導體性碳納米管的混合物。其中，金屬性碳納米管具有優異的導電性能與良好的彈道輸運特性，是制備納米導線的理想材料，而半導體性碳納米管則是制備納米半導體電子器件的優良材料。

2.2.2 碳納米管的性質

碳納米管由石墨片層卷曲而成，孔隙結構豐富，結構中碳原子以sp2雜化為主，但其中的六角形網絡結構會產生一定彎曲，形成空間拓撲結構，可形成一定數量的sp3雜化鍵。同時，石墨片層在卷曲過程中，邊界上的懸空鍵隨機結合，從而導致了管軸方向的隨機性，且碳原子六角格子排列成螺旋形，具有一定的螺旋度［27］。

碳納米管的性質與其結構緊密相聯。首先，碳納米管的多孔納米結構、質輕、高長徑比使其具有較大的比表面積且穩定度高，對大多數無機或有機化合物均具有較強的富集能力。其次，碳納米管中sp2雜化形成的高強度C==C共價鍵，使其具有高楊氏模量（1200 GPa）和彈性強度（150 GPa），其抗拉強度可達50～200 GPa［28］。并且，碳納米管中因sp2雜化形成了大量高度離域化的π電子，π電子可沿管側壁高速傳遞，使其具有良好的導電性，而導電性又隨管直徑和螺旋方式的不同而不同。對碳納米管導電性能的理論計算與實際測試結果表明，碳納米管可以是良導體，也可以是半導體或絕緣體，甚至同一碳納米管的不同部位，因其結構不同也會呈現不同的導電性。同時，基于大π鍵電子云的易極化與易流動性質，碳納米管還具有良好的光學性能，被廣泛應用于非線性光學材料的設計與合成中［29］。

此外，碳納米管末端通常連接兩個五邊形的半富勒烯分子，這些半富勒烯分子關閉碳納米管兩端，使其不易與其他物質反應，而當這些半富勒烯分子丟失時，碳納米管末端便會容易連接各種官能團，發生化學反應［30］。

3 碳納米管/液晶復合材料的制備方法

制備碳納米管/液晶復合材料一般采用：（1）將碳納米管與液晶直接復合，隨后過濾混合物以除去不需要的雜質；（2）在與液晶復合前，將碳納米管分散在合適的溶劑中，并通過蒸發除去多余的溶劑；（3）在與液晶復合前，對碳納米管進行表面物理包覆或共價功能化處理［31］。

第一種方法是將碳納米管與液晶直接復合，并對復合物進行過濾，目的是去除不需要的雜質，例如石墨或無定形碳等；再經超聲處理，將碳納米管均勻分散于液晶中。這是由于液晶分子的芳香環與碳納米管的碳環間存在π-π相互作用，并可發生電荷轉移，誘導碳納米管電荷分布不均、產生偶極矩，又可通過偶極相互作用進一步增強碳納米管與液晶分子間的結合強度。

第二種方法是先將碳納米管分散在合適的有機溶劑中，如乙醇、丙酮、甲苯、氯仿、四氫呋喃（或二甲基甲酰胺）等［32］，然后將碳納米管/有機溶劑分散系與液晶復合，并對復合液進行超聲處理，使碳納米管均勻分散于液晶中，同時蒸發去除其中的有機溶劑。這種方法的優勢在于當碳納米管分散在合適的有機溶劑中時，碳納米管與溶劑間的結合作用將大于碳納米管與碳納米管間的結合力，從而有效阻止碳納米管的團聚，以保證碳納米管充分分散在主體液晶中。

第三種方法是在與液晶復合前，通過表面物理包覆或共價功能化等對碳納米管進行預處理［33］。如物理包覆共軛聚合物、兩親嵌段共聚物、聚電解質、生物聚合物等物質［34］，或共價功能化如V2O5、NiP2、CoS2等物質，也可以共價功能化如MnO2涂層、MoS2納米片等物質［35］。其中，聚合物包覆因允許碳納米管作為單獨的單元分散，可以使碳納米管有效地分散于溶劑中而不受損壞。這種方法的優勢在于通過預處理可改善碳納米管與液晶分子間的非共價鍵結合，或增強碳納米管的反應活性、與液晶分子以共價鍵結合，進而使碳納米管在主體液晶中的分散度與相容性得到提高。

特別地，在采用上述3種方法前，均可對碳納米管進行球磨處理，以減小碳納米管聚集體、縮短其長度。然而，這3種方法均有其局限性。在第一種方法中，碳納米管的良好分散受限于低濃度范圍，且難于在過濾后測得液晶中碳納米管的準確濃度。在第二種方法中，分散碳納米管的有機溶劑難于被完全蒸發，未蒸發的有機溶劑會影響液晶相。而在第三種方法中，表面改性可能會導致碳納米管的固有性質發生變化。

此外，Tie等人［36］提出了一種利用交流電場改善碳納米管在液晶中分散的方法。圖7為不同電壓下碳納米管聚集體在液晶介質中的變化。在沒有電場的情況下，可以觀測到大的碳納米管聚集體；而隨著場強逐漸增大，簇尺寸變小，且在臨界場強以上簇消失，并最終得到碳納米管與液晶的良好結合。即使在電場被移除后，碳納米管與液晶仍分散良好。

圖7 碳納米管聚集體隨電場強度的變化［36］Fig.7 Variation of CNTs aggregated with electric field strength［36］

綜上所述，可采用對碳納米管改性、選擇合適的有機溶劑、施加外部電場等方法來制備穩定、優良的碳納米管/液晶復合材料，提高碳納米管于液晶中的分散比例，同時也可以有效阻止其團聚行為。

4 碳納米管/液晶復合材料的性能

碳納米管客體的摻入影響了主體液晶相變、光學、電學與力學等各方面的性質。

4.1 碳納米管/液晶復合材料的相變

液晶相變是反映液晶分子取向行為隨溫度變化的重要參數，相變溫度描述了液晶物質各種相態間的轉變溫度，包括由液晶相態到各向同性相態的轉變溫度，即液晶的清亮點，記為TNI；以及由各向同性相態到液晶相態的轉變溫度，記為TIN，也稱為退火相變溫度。研究表明，在液晶中分散一定量碳納米管，會改變其相變溫度。

Singh等［37］在 向 列 型 小 分 子 液 晶W-3017中分別摻入質量分數為0.01%和0.02%的多壁碳納米管，發現摻入碳納米管復合體系的TNI相比純液晶均增加了0.5℃。TNI的升高被認為是多壁碳納米管與液晶分子間π-π相互作用使其向列相有序性增強所致。Dhar等［38］通過熱力學研究也表明，純向列相液晶、質量分數為0.01%和0.02%的單壁碳納米管與純向列相液晶復合體系的相轉變溫度分別為52.0℃、54.0℃和55.0℃，即隨單壁碳納米管摻入，復合體系相轉變溫度也有所增大。進一步表明，具有各向異性幾何外形的碳納米管可通過π-π和各向異性相互作用增強主體液晶的向列有序性，進而增大復合體系的相轉變溫度。

李攀等［39］在一種丙烯酸酯類液晶高分子中摻入多壁碳納米管，即采用溶液共混法制備了不同質量分數的MWCNT/LCP復合材料。同樣發現當多壁碳納米管的質量分數從0.05%上升到5%時，復合體系的TNI從255.9℃上升到了270.1℃。TNI的升高被認為是LCP中由苯環和酯鍵構成的剛性基元與多壁碳納米管間可形成π-π共軛作用，從而在一定程度上增加了液晶剛性基元的運動難度，進而使得復合體系TNI升高。

然而，Dalir等［40］將單壁碳納米管摻入到共晶單軸向列相液晶E5CN7中，發現隨單壁碳納米管摻入，相轉變溫度TNI降低。隨后，較高的單壁碳納米管摻入又會使得相轉變溫度TNI升高，如圖8所示。

圖8 不同濃度的單壁碳納米管對相變溫度的影響［40］Fig.8 Effects of different concentrations of SWCNTs onphase transition temperature［40］

隨單壁碳納米管濃度增加，TNI會先降低，這是由于單壁碳納米管在主體液晶介質中的團聚擾亂了液晶的向列有序性，從而使得復合體系相轉變溫度降低。而單壁碳納米管質量分數在0.75%時，液晶分子與碳納米管間的π-π相互作用得到增強，從而使得復合體系向列相有序性提高、相轉變溫度增大。然而，隨單壁碳納米管質量分數增加至1.5%，TNI顯著下降，考慮是管間相互作用力進一步增強而形成網格聚集體，對液晶向列有序性造成破壞所致。此外，對于復合體系，相變焓與相變熵也隨碳納米管濃度增加而降低，考慮是碳納米管與液晶分子間發生分子軌道重疊和電荷轉移、相轉變溫度降低的結果。

綜上所述，碳納米管對主體液晶相轉變溫度會有影響，影響機制主要有：（1）碳納米管與液晶分子間的π-π共軛作用；（2）碳納米管對主體液晶各向異性的影響；（3）碳納米管與液晶分子軌道的重疊；（4）碳納米管與液晶分子間的電荷轉移。因此，碳納米管與液晶復合體系相轉變溫度會隨碳納米管濃度發生顯著變化。

4.2 碳納米管/液晶復合材料的光學性能

液晶的光學性能取決于液晶分子取向的變化，如非線性光學與光致收縮效應。非線性光學（Nonlinear Optical，NLO）是反映液晶介質在強相干光作用下產生的非線性現象；光致收縮效應是反映液晶吸收光能而發生相態轉變的現象。

研究發現，摻入碳納米管可以改善主體液晶非線性光學性能。Ara等［3］分別將質量分數為0.25%、0.5%、0.75%、1%的單壁碳納米管摻入到向列相液晶E5CN7中，并采用Z掃描技術測定其三階非線性光學性質。結果表明，所摻單壁碳納米管提高了向列相液晶E5CN7的三階非線性極化率，從而改善了復合體系三階非線性光學性質。當所摻單壁碳納米管質量分數在0.25%～0.5%范圍時，復合體系三階非線性極化率隨摻入濃度的增大而增加。而對于質量分數在0.5%～1%范圍時，其三階非線性極化率會隨濃度增大而降低。孫姍筱妤等［24］用雙十二烷基二甲基溴化銨（DDAB）對碳納米管進行表面修飾，并分別將修飾前后的碳納米管摻入到向列相液晶BHR33400中，再通過施加外部電場，考查不同情況下不同樣品的變化。如圖9所示，同樣發現，隨單壁碳納米管質量分數由0.1%增加至0.5%，復合體系三階非線性吸收系數β值始終呈遞增趨勢。且修飾、施加電場可進一步提高復合體系的三階非線性吸收系數，如質量分數為0.5%時，修飾加電樣品β值 較 修 飾 未 加 電 樣 品β值 提 高0.5e-8，較未修飾未加電樣品β值提高1.3e-8。

圖9 摻雜濃度對體系非線性吸收系數的影響。（a）未修飾未加電；（b）修飾后未加電；（c）未修飾加電；（d）修飾后加電［24］。Fig.9 Effects of doping concentration on the nonlinear absorption coefficient of the system.（a）Unmodified and unelectrified system；（b）Modified and unelectrified sysyem；（c）Unmodified and electrified system；（d）Modified and electrified system［24］.

這是由于碳納米管與液晶分子間的π-π相互作用改善了復合體系的取向有序性，增加了相應的取向有序參數，從而提高了其三階非線性光學值。并且，經表面修飾后，碳納米管的分散性得到改善，進一步改善了復合體系的均一性，進而三階非線性吸收系數對比未修飾前有所提高。此外，由于碳納米管沿長軸與短軸導電性的顯著不同，電場作用可促使碳納米管隨液晶分子協同偏轉，增強復合體系的協同取向，從而使得復合體系整體導電性與電子云排布發生變化，使得復合體系三階非線性吸收系數得到進一步提高。然而，當摻入碳納米管濃度較高時，碳納米管與碳納米管間的范德瓦爾斯相互作用力將大于碳納米管與液晶分子間的結合力，導致碳納米管形成聚集體，甚至形成聚集體網格，致其有序參數減小，進而減小復合體系的三階非線性光學值。

另一方面，Yu等［41］將碳納米管沉積到液晶彈性體（Liquid crystal elastomer，LCE）纖維上制得了一種核殼型CNT/LCE纖維，測得該纖維收縮率隨近紅外光強度的增加而提高，其收縮率可高達45.4%，如圖10所示。并且，隨光照強度的增強，收縮速度也得到加快。這是由于碳納米管具有良好的近紅外光吸收性能與優異的導熱性能［42-43］，碳納米管將吸收的光能轉化為熱能，并將熱能傳遞到LCE中，使LCE由液晶態轉變為液態，引起LCE中介晶基元的排列順序由有序態變為無序態，從而導致CNT/LCE纖維的收縮。并且，隨光照強度增加，溫度也會增加，從而促使LCE中介晶基元的運動速度加快，進而導致收縮速度加快。

圖10 CNT/LCE纖維隨光照強度的變化，圖中灰色部分為CNT，藍色部分為LCE［41］。Fig.10 Variation of CNT/LCE fibers with light intensity，the gray part is CNT，and the blue part is LCE［41］.

綜上所述，碳納米管的摻入對液晶的光學性能會有影響。碳納米管既會通過其與液晶分子間的π-π相互作用而改善主體液晶的取向有序性，也會通過其優異的吸光導熱效應而實現主體液晶相態的轉變。

4.3 碳納米管/液晶復合材料的電學性能

4.3.1 電導率

液晶的電導率即為液晶電阻率的倒數。通常，液晶材料具有高電阻率，影響液晶電阻率的主要因素有微量無機雜質或極性有機雜質，其主要由液晶化合物合成過程中產生的副產物和未反應的原料組成。

Cirtoaje等［44］研究了向列相液晶（MCL 6601 Merck）與質量分數為0.5%的多壁碳納米管復合體系電導率隨施加電場的變化規律。由圖11所示的液晶電流與電場的變化關系曲線可知，隨電場增大，摻入碳納米管復合體系的電導率相比純液晶有了大約1000倍的提高。這可能是由于在給定溫度和給定施加電場下，碳納米管內部的電子載流子會發生逃逸、形成電流所致。

圖11 液晶電流隨電場的變化。（a）不摻雜碳納米管的樣品；（b）摻雜碳納米管質量分數為0.5%的樣品［44］。Fig.11 Variation of liquid crystal current with electric field.（a）Sample without CNTs；（b）Sample with the mass fraction of doped CNTs 0.5%［44］.

尹俊霞等［45］的研究也表明在摻入碳納米管后，復合體系電阻下降。圖12為復合體系電阻隨摻入碳納米管濃度的變化規律。研究發現，相對于純液晶材料，當碳納米管質量分數為0.3%時，其表面電阻顯著降低。表面電阻下降的可能原因是碳納米管的共軛效應，其有利于復合體系內各成分間的電子傳輸與能量傳遞，電子可通過π鍵傳輸，有效提高液晶的電導率和降低液晶電阻。

圖12 復合體系電阻隨碳納米管摻雜濃度的變化［45］Fig.12 Variation of resistance of the composite system with the concentration of doped CNTs［45］

此 外，Yadav等［46］發 現，質 量 分 數 為0.1%（Mix 1）和0.2%（Mix 2）的多壁碳納米管與向列相液晶BBEA復合體系的電導率顯著增大。圖13為55℃時電導率隨頻率變化的實驗曲線。可見，Mix.1與Mix.2兩復合體系電導率相比純液晶都有所增加。電導率的增加，一方面可能是由于碳納米管的高導電性，另一方面可能是由于碳納米管有利于電荷載流子的傳輸。此外，碳納米管的高縱橫比，可使其在很低的濃度下達滲濾閾值，即滲濾閾值也可能是復合體系電導率提高的原因［47-48］。

圖13 純向列相液晶和碳納米管摻雜液晶體系電導率隨頻率的變化［46］Fig.13 Variation of electrical conductivity with frequency in pure NLC and CNT-doped LC systems［46］

然而，Timko等［49］研究表明，將質量分數為0.1%和0.2%的羧基化單壁碳納米管摻入到主體液晶6CHBT中，復合體系電導率降低。圖14為復合體系電導率隨頻率變化的實驗曲線。當單壁碳納米管質量分數為0.2%時，復合體系電導率相比純液晶降低兩倍以上。這可能是由于羧基化單壁碳納米管對液晶中雜質離子的選擇性吸附，降低了復合體系的電導率，而弛豫時間與電導率成反比［50］，故復合體系電導率隨頻率增大而增大。而當頻率大于100 Hz時，質量分數為0.1%和0.2%的碳納米管復合體系的電導率差異極小，這可能是羧基化單壁碳納米管對液晶中雜質離子選擇性吸附達飽和所致。

圖14 純6CHBT液晶和單壁碳納米管摻雜液晶體系電導率隨頻率的變化。圖中1為純6CHBT液晶；2為摻雜單壁碳納米管質量分數為0.1%的復合體系；3為摻雜單壁碳納米管質量分數為0.2%的復合體系［49］。Fig.14 Electrical conductivity of pure 6CHBT liquid crystal and SWCNT-doped LC system varies with frequency.In the figure，1 is pure 6CHBT liquid crystal，2 is the composite system doped with SWCNTs with a mass fraction of 0.1%，3 is the composite system doped with SWCNTs with a mass fraction of 0.2%［49］.

需要說明，Cristina、尹俊霞、Yadav等測得碳納米管摻雜復合體系電導率增大，而Timko等測得碳納米管摻雜復合體系電導率減小，這是由于所摻碳納米管管長、管徑的不同。其中，Cristina、尹俊霞、Yadav等采用的是多壁碳納米管，而Timko等采用單壁碳納米管，所使用單壁碳納米管的長度和直徑均小于多壁碳納米管，單壁碳納米管電導率也一般低于多壁碳納米管，且單壁碳納米管經羧基改性，與液晶介質兼容性更好，能有效吸附液晶介質中殘留的雜質離子，故使得羧基化單壁碳納米管/液晶復合體系電導率下降。

綜上所述，碳納米管對主體液晶電導率會有影響，其影響機制主要有：（1）碳納米管本身具有良好的導電性；（2）碳納米管的共軛效應，有利于復合體系內各成分間的電子傳輸與能量傳遞；（3）碳納米管的高縱橫比使其在低濃度下即可達滲濾閾值，使得復合體系電導率顯著增加。雖然如此，碳納米管與液晶復合體系電導率也會隨碳納米管類型、尺寸和預處理情況的不同而有所不同，甚至會出現電導率降低的可能，而這對于液晶在很多領域的應用是非常有利的。

4.3.2 介電性質與電光響應

液晶具有介電常數各向異性，即Δε=ε∥-ε⊥，其中ε∥、ε⊥分別表示液晶分子軸向與橫向介電常數，反映液晶分子沿長軸與短軸方向極性的大小，且稱Δε＞0的液晶為正性液晶，稱Δε＜0的液晶為負性液晶。液晶的介電各向異性與其電光響應密切相關，液晶的電光響應是反映液晶在電場作用下發生取向轉變、影響透光率的電光行為。其電光響應參數包括閾值電壓、飽和電壓與響應時間。閾值電壓為透過率變化10%時所對應的電壓；飽和電壓為透過率變化90%時所對應的電壓；響應時間為液晶改變原來排列方式所需的時間，描述了液晶分子在所施加電壓下發生偏轉的響應速度。

研究發現，摻入碳納米管可對向列相液晶分子起到錨定作用，增強主體液晶的取向有序性，改善主體液晶的介電各向異性，得到更快的響應與更低的閾值電壓。Guo等［51］在主體向列相液晶中摻入鍍鎳多壁碳納米管，發現摻入質量分數為0.01%時復合體系的介電各向異性提高了3.6%，且在5 V和1 kHz時，上升時間減少了9.5%，并隨摻入質量分數增大，上升時間進一步減少。圖15（a）和（b）分別顯示了復合體系在電壓關閉和電壓開啟狀態下，多壁碳納米管與向列相液晶協同取向的示意圖。在電壓關閉狀態下，多壁碳納米管隨向列相液晶分子沿取向層錨定方向排列，復合體系介電常數取決于向列相液晶和多壁碳納米管的橫向分量，其值與純向列相液晶相近。而在電壓開啟與電場作用下，多壁碳納米管隨向列相液晶分子旋轉到施加電場方向，表現了多壁碳納米管與向列相液晶分子間的協同取向相互作用，復合體系介電常數取決于向列相液晶與多壁碳納米管的軸向分量［52］，碳納米管的介電各向異性又增強了液晶介質的介電各向異性。因此，由于碳納米管對向列相液晶分子的錨定作用，摻入碳納米管增強了復合體系的取向序，增大了復合體系的介電各向異性，從而得以改善復合體系的電壓響應、降低器件的閾值電壓。

圖15 MWCNT/Ni/NLC復合材料在（a）電壓關閉和（b）電壓開啟狀態下的協同取向示意圖［51］。Fig.15 Schematic diagram of collaborative orientation for MWCNT/Ni/NLC composites in（a）voltageoff state and（b）voltage-on state［51］.

Singh等［53］將 質 量 分 數 為0.01%和0.02%的單壁碳納米管摻入到向列相液晶中，也發現復合體系閾值電壓分別下降了20%和40%。而Verma等［54］分別將質量分數為0.02%和0.05%的單壁碳納米管分散到向列相液晶5CB中，同樣發現單壁碳納米管的存在降低了復合體系的閾值電壓。圖16為純5CB與SWCNT/5CB復合體系的透光率-電壓特性曲線，從中觀察到在摻入單壁碳納米管質量分數為0.02%和0.05%時，閾值電壓分別減少了45%和70%。由于單壁碳納米管與液晶分子間的協同取向相互作用，以及單壁碳納米管可在向列介質中充當局部錨定場，復合體系的介電各向異性與取向有序性均得到增強，從而改善了復合體系的電壓響應，降低了器件的閾值電壓。

圖16 純5CB、0.02%、0.05%質量分數單壁碳納米管分散5CB的透射強度隨交流電壓的變化，圖中垂直虛線對應閾值電壓［54］。Fig.16 Transmission intensity of pure 5CB，0.02%，0.05% mass fraction of SWCNTs dispersed 5CB as a function of AC voltage，the vertical dotted line in the figure corresponds to the threshold voltage［54］.

Pandey等［55］將質量分數為0.1%（Mix.1）與0.25%（Mix.2）的單壁碳納米管摻入到負介電各向異性向列相液晶EBBA中，發現復合體系的介電常數發生顯著變化。圖17（a～b）分別顯示了40℃時低探測電壓下，單壁碳納米管摻入EBBA復合體系（Mix.1和Mix.2）相對介電常數的垂直分量ε′⊥高于純向列相，而平行分量ε′∥低于純向列相，導致復合體系的介電各向異性增加。

圖17 純向列相液晶和摻雜單壁碳納米管樣品介電常數隨 頻 率 的 變 化。（a）垂 直 分 量ε′⊥；（b）平 行 分 量ε′∥［55］。Fig.17 Variation of dielectric constants with frequency for pure NLC and samples doped with SWCNTs.（a）Vertical component ε′⊥；（b）Parallel component ε′∥［55］.

這是由于液晶分子的芳環與碳納米管結構中的六元環間存在相互作用，液晶分子與碳納米管間存在π-π電子轉移所致。這種電荷轉移使得碳納米管帶有凈電荷，具有永久偶極矩，該永久偶極矩會提高碳納米管/液晶復合體系的偶極矩［56］。在平行排列液晶盒中，少量碳納米管在協同取向相互作用下平行于電極表面，即碳納米管偶極矩方向垂直于施加電場方向；但隨碳納米管摻入量增加，一些碳納米管將沿施加電場方向，使得復合體系相對介電常數的垂直分量ε′⊥有所增加。而在垂直排列液晶盒中，碳納米管長軸方向與液晶分子指向矢均垂直于電極表面，即二者均沿施加電場方向產生感應極化。然而，對于負性液晶分子，二者的偶極貢獻相互對抗，并可能致使摻雜系統中液晶分子傾斜取向，造成復合體系偶極矩降低，從而使復合體系相對介電常數的平行分量ε′∥有所降低；且隨碳納米管摻入量增加，較多碳納米管沿場方向產生較高的偶極貢獻，使得復合體系相對介電常數的平行分量ε′∥又略有增加，但仍低于純向列相的值。

而對于高分子液晶，在其中摻入碳納米管后，復合體系的電光性能也會發生明顯變化。如圖18所示，張偉 偉等［57］將4種 質量分數（0%，0.03%，0.05%，0.07%）的多壁碳納米管分別摻入到全息聚合物分散液晶（Holographic polymer dispersed liquid crystal，H-PDLC）中，測得復合體系的閾值電壓與飽和電壓均隨多壁碳納米管質量分數的增加而降低，且在質量分數為0.05%時，閾值電壓與飽和電壓達到最低。這是由于具有優異導電性與多孔結構的多壁碳納米管被包裹在聚合物中，增加了復合體系的電導率與電容，從而降低了復合體系的閾值電壓與飽和電壓。

圖18 閾值電壓和飽和電壓隨多壁碳納米管質量分數的變化。圖中藍色為閾值電壓，橙色為飽和電壓［57］。Fig.18 Variation of threshold voltage and saturation voltage with the mass fraction of MWCNTs.The blue is the threshold voltage，and the orange is the saturation voltage［57］.

綜上所述，碳納米管對主體液晶的介電各向異性與電光響應會有影響。碳納米管與液晶分子間存在協同取向相互作用，且碳納米管對其周圍液晶分子有錨定作用以及碳納米管的偶極特性，使得碳納米管的摻入會提高主體液晶的介電各向異性，改善其電光性能，如器件閾值電壓、飽和電壓和響應時間的降低。此外，碳納米管可有效捕獲主體液晶中的雜質離子［58］，大幅降低液晶中由于雜質離子移動而產生的電流，消除交流場中的雜散電流［59］，從而進一步降低液晶器件的閾值電壓、飽和電壓與響應時間。

4.4 碳納米管/液晶復合材料的力學性能

候燚等［60］將質量分數為5%、8%、12%的單壁碳納米管分別摻入到液晶彈性體LCE中，測得不同溫度下純LCE與各質量分數SWCNT/LCE復合體系的力學性能，如圖19所示。可見，隨SWCNT質量分數增加，復合體系的力學性能會發生明顯變化。當SWNCT質量分數為5%時，除30℃外復合體系SWCNT/LCE的力學性能略低于純LCE。但當SWNCT質量分數為8%時，各溫度下復合體系SWCNT/LCE的力學性能均得到改善，且在30℃時，復合體系的斷裂強度為5.62 MPa，相比純LCE提高3倍左右，其斷裂伸長率為182%，相比純LCE提高30%左右。而當SWNCT質量分數為12%時，各溫度下復合體系SWCNT/LCE的力學性能又會有所降低，但仍高于純LCE。

圖19 不同溫度下純LCE（a）及質量分數為5%（b）、8%（c）、12%（d）的SWCNT/LCE復合體系的應力-應變曲線［60］。Fig.19 Stress-strain curves of pure LCE（a），and 5%（b），8%（c），12%（d）SWCNT/LCE composite systems at different temperatures［60］.

這是由于內部液晶基元的有序度對復合體系力學性能的影響占主導地位。對于質量分數為5%的SWCNT/LCE復合體系，所摻SWCNT減低了LCE內部液晶基元的有序度，致使復合體系的力學性能略低于純LCE。而隨SWCNT質量分數增至8%，SWCNT增強了LCE中各組分間的界面結合力與相容性，致使內部液晶基元的有序度增強，從而使復合體系的力學性能得到增強。但當SWCNT質量分數進一步增加至12%，其在LCE中的局部分散性會降低，從而出現團聚與相分離現象，造成LCE內部缺陷，進而導致復合體系力學性能下降。

類似地，孫 丹丹等［61］先在LCE中引入末端含雙鍵的MWCNT制得本征型LCE，再將本征型LCE與經羥基化并接枝烷基鏈的功能化MWCNT復合，制得MWCNT/LCE復合體系。經測試，復合體系MWCNT/LCE的平均拉伸強度高達13.87 MPa，約為純LCE的4.2倍。復合體系拉伸強度的提高可能歸因于本征LCE與功能化MWCNT間的共價交聯與π-π非共價共軛作用，二者共同增強了MWCNT與LCE間的界面黏附力，從而提高了復合體系的力學性能。

綜上所述，碳納米管的摻入對LCE的力學性能會有影響。碳納米管對液晶基元有序度的擾亂與碳納米管自身的團聚行為，會降低LCE的力學性能，而碳納米管與LCE間的π-π非共價共軛作用，將提升LCE的力學性能。

5 碳納米管/液晶復合材料的應用

碳納米管在液晶中的分散會帶來主體液晶取向與相變、電光、力學等性能的改善。碳納米管/液晶復合材料不僅可以用于顯示方向，其在致動器、傳感器、顯示器、高強度材料等領域都有了長足的發展。

5.1 致動器/軟性機器人

Kim等［62］分別將質量分數為0.1%與0.5%的碳納米管分散到LCE中制得LCE/CNT復合體系，并分別制得復合膜LCE/CNT1+1和LCE/CNT5+5。該復合薄膜能夠通過可見光或紅外光實現快速、可逆、可編程、無線和局部選擇性彎曲驅動。圖20所示為復合薄膜在287 mW·cm-2光強度照射下的彎曲情況。結果表明，復合膜LCE/CNT1+1在1.2 s內可彎曲到接近90°的峰值彎曲角，并在光照后2.2 s內恢復到原來的平面形狀；而復合膜LCE/CNT5+5在3 s內可彎曲到接近105°的峰值彎曲角，并在5 s內恢復到原來的平面形狀。

圖20 復合薄膜在287 mW·cm-2光強度照射下的彎曲情況［62］Fig.20 Bending of the composite film under 287 mW·cm-2 light intensity［62］

經分析，復合膜在光照條件下發生彎曲是由于所摻碳納米管可廣泛吸收可見光，且具有高導熱性，可將吸收的光能轉化為熱量，并將熱量傳輸到LCE中引起彎曲驅動。因此，LCE/CNT復合膜可以用于自變形結構或軟機器人的研制。

Yu等［41］將碳納米管沉積到LCE纖維上制得了一種核殼型CNT/LCE纖維軟致動器，如圖21（a）所示。CNT/LCE纖維暴露于紅外光下收縮明顯，其最大做功約為614 kJ/m3，比骨骼肌的平均值40 kJ/m3高出15倍以上［63-64］，并經200次 以 上的光誘導驅動后，CNT/LCE纖維仍具有優異的驅動性能。這是由于CNT/LCE纖維中的碳納米管會將吸收的光能轉化為熱能，使得LCE纖維基體溫度升高，從而發生收縮。如若CNT/LCE纖維受單側光源照射，其兩側會產生溫度差，受光源照射側收縮更為明顯，這種不對稱收縮會使得CNT/LCE纖維產生向光彎曲行為，如圖21（b）所示。此外，CNT/LCE纖維還可被用于人工肌肉。如圖21（c）所示，CNT/LCE纖維一端固定，另一端施加一定負載，當一側受近紅外光照射時，CNT/LCE纖維會像肌肉一樣上下收縮，并經持續照射、溫度梯度消失而恢復。

圖21 （a）核殼型CNT/LCE纖維，圖中黃色部分為LCE纖維芯，灰色部分為CNT殼層；（b）CNT/LCE纖維向光彎曲行為，圖中箭頭表示光的入射方向；（c）CNT/LCE纖維在近紅外光刺激下的肱二頭肌行為［41］。Fig.21（a）Core-shell CNT/LCE fibres，the yellow part represents the LCE fibre core and the grey part represents the CNT shell layer；（b）Bending behaviour towards light of CNT/LCE fibres，the red arrows represents the direction of light incidence；（c）Biceps behaviour of CNT/LCE fibres under light stimulation with NIR light［41］.

可見，核殼型CNT/LCE纖維驅動器具有優異的近紅外光驅動性能，特別是CNT/LCE纖維可以從任意方向接受光照射，實現精確快速地向光彎曲，可用于設計如軟致動器、仿生機器人或光學傳感等功能性纖維驅動器。

5.2 傳感器

Lai等［5］研究了一種基于摻雜碳納米管聚合物分散液晶（Polymer dispersed liquid crystal，PDLC）制得的丙酮檢測化學傳感器。如圖22（a）所示，該傳感器包括PDLC傳感膜與平面叉指電極對。當傳感器暴露在丙酮氣體中，丙酮分子會通過CNT-PDLC薄膜擴散，改變薄膜電阻，并可測得在氣體濃度在1×10-4～1.5×10-3范圍內，薄膜電阻隨氣體濃度呈線性響應，響應時間約為32 s，從而通過CNT-PDLC傳感膜電阻的測試，可實現對化學氣體丙酮分子濃度的檢測。這是由于丙酮分子會破壞CNT-PDLC液晶相薄膜中復合結構的有序性（圖22（c）），引起碳納米管導電網絡重構，從而改變傳感膜電阻，并通過傳感膜電阻的變化，實現對化學氣體濃度的檢測。特別地，該丙酮檢測化學傳感器在承受重力和機械沖擊時堅固耐用，并可與簡單的讀出電路一起用于檢索感測信號。

圖22 （a）CNT-PDLC化學傳感裝置示意圖；（b）復合材料中PDLC和CNT的取向；（c）CNT-PDLC復合材料吸附丙酮氣體時的反應［5］。Fig.22（a）Schematic diagram of the CNT-PDLC chemical sensing device；（b）Orientation of PDLC and CNT in the composite；（c）Reaction of the CNTPDLC composite when absorbing acetone gas［5］.

Atta等［65］研究了一種基于離子液晶（Ionic liquid crystal，ILC）、CNT和Fe-Ni合金納米粒子改性玻碳電極（Carbon electrode，GC）制得的用于檢測人血清中H2O2含量的電化學傳感器。該傳感器通過在GC表面上滴鑄兩層連續的ILC和CNT/Fe/Ni混合物薄層而制成，如圖23所示。采用安培法對血清中的H2O2濃度進行測定，其在較寬的濃度范圍（0.007～1000 μmol/L）和較低的檢測極限（0.971 nmol/L）內，均可實現對H2O2濃度的精準檢測。這是由于在電化學傳感器表面，H2O2可發生還原反應，其還原機制為H2O2+2H++2e=2H2O。其中，氫離子和電子均來自于CNT或Fe-Ni合金納米粒子，而滴鑄的ILC、CNT/Fe/Ni薄層有利于增加電化學傳感器的離子傳導性與表面積，且Fe-Ni合金納米粒子會對H2O2的還原過程起到促進作用。因此，該電化學傳感器具有較高的回收率、出色的抗干擾能力和長期穩定性。

圖23 GC/ILC/（CNT-Fe-Ni）修飾電極用于電化學還原H2O2的示意圖［65］Fig.23 Schematic diagram of GC/ILC/（CNT-Fe-Ni）modified electrode for electrochemical reduction of H2O2［65］

5.3 手寫板

Miao等［66］將聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinly pyrrolidone，PVP）包裹的CNT摻入到雙穩態膽甾相液晶（Cholesteric Liquid Crystal，ChLC）薄膜中，制得一種光熱可擦除性手寫板。該手寫板具有高度靈敏性與清晰的顯示亮度，其在30 mW·cm-2光照強度下的擦除時間可達32 s，相比純ChLC手寫板節約51%的時間。如圖24所示，該手寫板初始狀態為亮綠色（圖24（a）），當施加電場時手寫板會呈現出高度的透明狀態（圖24（b）），而在施加外部壓力下，即用手寫筆在手寫板上書寫時，手寫板上將呈現出亮綠色字跡（圖24（c）），但在遭受強度為30 mW·cm-2的近紅外光照射時，手寫板又會表現出擦除現象，即被擦除部分會由亮綠色變為黑色（圖24（d））。

圖24 PVP/CNT/ChLC書寫板隨外部環境的變化及其相對應的分子排列狀況［66］Fig.24 Changes of PVP/CNT/ChLC writing board with external environment and its corresponding molecular arrangement［66］

這是由于在施加電場時手寫板中的ChLC會由平面態織構轉變為焦錐態織構，而處于焦錐態織構的ChLC不能反射入射光，故顯示出透明狀態。但在施加外部壓力時，壓力作用會使ChLC由焦錐態織構變回平面態織構，從而展現出亮綠色字跡，而在遭受近紅外光照射時，被照射部分會因PVP/CNT優異的近紅外光吸收性能與導熱性能，將吸收的光能轉化為熱能傳導到ChLC中，致使ChLC快速升溫至清亮點而處于液態，從而表現出擦除現象。該手寫板可應用于壓敏顯示器、電子書、智能玻璃等領域。

5.4 高強度材料

Han等［67］將 熱致液晶聚 合物（Thermotropic liquid crystalline polymer，TLCP）Vectra B950與MWCNT摻入到聚酰胺共聚物（Polyamide copolymer，PAc）中，制得MWCNT/TLCP/PAc復 合纖維。在TLCP質量分數為20%、MWCNT質量 分 數 為1%時，MWCNT/TLCP/PAc復 合 纖維的平均拉伸模量為25.11 GPa，拉伸強度為94.65 MPa，相比不含MWCNT的TLCP/PAc纖維，拉伸模量與強度分別提高了240%和27%。這是碳納米管本身具有良好的力學性能以及充當TLCP與PAc間的粘附劑、進 一 步 增 強TLCP與PAc間的粘附所致。該纖維可應用于3D打印等增材制造中，因其良好的延展性與柔軟度，有益于改善常用長玻璃纖維與長碳纖維等易堵塞3D打印器械中噴嘴，進而導致纖維斷裂和纖維取向方向改變等力學性能下降的現象。

綜上所述，碳納米管與液晶分子間的協同作用在軟致纖維驅動器、丙酮氣體、H2O2檢測、手寫板與高強度材料方面展現出優異的性能。液晶工程塑料和液晶纖維可做成火箭發動機的殼體、防彈衣、高級輪胎等，液晶高分子材料正在向家電領域、醫療器械和運動器械等領域發展，這些無不表明液晶材料的廣泛發展前景。而碳納米管/液晶復合材料也必將在相應功能材料、電光器件、傳感器、顯示器等應用領域的研究中發揮重要作用。

6 結論與未來展望

本文簡要陳述了碳納米管/液晶復合材料的制備、性能與應用研究，以探討碳納米管與液晶分子間相互作用導致改善液晶熱、介電、電光、力學等物理性質的確切機制。碳納米管與液晶分子間存在π-π相互作用，這種相互作用增強了液晶分子在碳納米管表面的界面錨定，從而使碳納米管/液晶復合材料具有更好的排列、更低的閾值電壓、飽和電壓與更快的響應速度等性能提升。并且，碳納米管吸附離子雜質的能力進一步增強了液晶介質中摻入碳納米管的應用潛力。最后，例舉了碳納米管/液晶復合材料的實際應用。

然而，制備均勻、穩定的碳納米管/液晶復合材料是當前面臨的一大問題，碳納米管間強范德瓦爾斯吸引相互作用大于碳納米管與液晶分子間的結合力，易使碳納米管發生團聚，即使在對碳納米管進行表面物理包覆或共價鍵改性后，碳納米管仍會隨時間推移發生團聚現象，大幅降低了碳納米管/液晶復合材料的應用潛力，也使大部分碳納米管/液晶復合材料的器件只停留在實驗室規模的制造與測試中，無法大規模應用于實際生產生活。因此，未來需要進一步去探究碳納米管與液晶分子間相互作用導致液晶光熱性能、電導率、介電各向異性、閾值電壓、飽和電壓、響應速度與力學性能等方面發生變化的確切機制，為實現碳納米管/液晶復合體系在致動器、傳感器、顯示器、功能材料等領域的應用奠定基礎。