[发明专利]一种碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料及制备方法，所述液晶弹性体复合材料的结构为三明治结构；所述制备方法先将丙烯酸酯液晶单体、交联剂、扩链剂和液态金属溶于二氯甲烷溶液中，然后加入催化剂，在热引发的条件下得到液态金属液晶弹性体材料，再通过多层材料复合的方式嵌入碳纤维丝得到三明治结构的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料。该方法制备的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料具有优异的力学性能，其拉伸断裂强度达到10.6MPa和拉伸弹性模量达到199.2MPa，在实际中有很大的应用价值，可应用于软制动器、微型机器人、人造肌肉等领域。本发明制备方法简单方便，成本低廉，易成型加工。

技术领域

本发明涉及一种液晶弹性体复合材料及制备方法，尤其涉及一种碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料及制备方法。

背景技术

液晶弹性体（LCE）作为一种新型的智能材料，既具有弹性体材料的弹性又具有液晶材料的流动性、有序性，是一种双向形状记忆的材料。当受到外部条件刺激时，液晶基元从单轴排列的各向异性相态向排列无序的各向同性相态变化，导致材料发生可逆的宏观形变，使其在软体驱动器等领域有着广泛的应用价值。

碳纤维丝是一种特种纤维，具有耐高温、耐磨、导电、导热、拉伸强度高等特性，可用于工业、航天、纺织等领域。由于碳纤维丝有很高的强度和模量，碳纤维丝材料会逐渐替代大部分金属材料，被广泛应用于国防军工和高技术等领域。

液态金属（LM）是一种不定型、可流动液体的金属材料，兼具流体和金属导体的性质，具有高导电性、导热性、良好的生物相容性和无限变形能力等诸多优点，可作为一种新型的功能型流体填料添加到高分子材料中，形成液态金属高分子材料，被广泛应用于软体驱动器、人造肌肉、智能可穿戴设备等领域。

目前已经报道的液晶弹性体复合材料，其机械性能不优异，材料容易损坏。另外制备过程比较繁琐，增加制备过程的复杂性和工艺成本，限制了液晶弹性体材料的应用，无法满足在智能可穿戴设备等领域中运用的要求。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种质量轻、力学性能优异的三明治结构的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料；本发明的另一目的在于提供一种反应条件温和，操作方便，易成型加工的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料，其结构为三明治结构，中间层为碳纤维丝，外层均为液态金属液晶弹性体材料；所述液态金属液晶弹性体材料为液态金属和液晶弹性体的复合，所述液晶弹性体的结构式如下：

式Ⅰ。

所述碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将丙烯酸酯液晶单体1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯、交联剂季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、扩链剂3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇和液态金属溶于二氯甲烷溶液中，使其混合均匀；

（2）将催化剂二丙胺加入到上述混合溶液中，在冰水混合的条件下超声，得到混合均匀的溶液；

（3）取上述超声后的混合溶液倒入聚四氟乙烯槽中，去除混合溶液中少量的气泡；

（4）将上述槽子放入真空烘箱中进行干燥；

（5）取出上述槽子，得到未取向的液态金属液晶弹性体材料；

（6）将上述未取向的液态金属液晶弹性体材料裁剪成长条状，拉伸至原始长度的2.3-2.6倍；

（7）将碳纤维丝平铺在步骤（6）中拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料上；

（8）最后再取与步骤（6）中相同的拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料以平行的角度覆盖在步骤（7）中碳纤维丝上，放入真空烘箱中进行干燥，得到三明治结构的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料。