近年来，液晶弹性体材料备受关注。当加热或光照时，这种材料可以实现多种可定制的形变，故在柔性执行器、人造仿生纤维、人造肌肉、柔性机器人等领域有着巨大的应用潜力。

液晶态是物质的一种存在形态，液晶态的物质称为液晶（LC）。具有液晶性的高分子称为液晶高分子(LCP），又称之为液晶聚合物。

那么，液晶高分子有着怎样的发展历史？具体来说，有哪些方面的应用？目前，有啥新产品和新技术？

一、发展简史

液晶高分子的首次发现是1937年BAWDEN等在烟草花叶病毒的悬浮液中观察到液晶态，美国物理学家ONSAGER（1949年）和高分子科学家FLORY（1956年）分别对刚棒状液晶高分子做出了理论解释。

20世纪60年代以来，美国杜邦公司先后推出Kevla等酰胺类液晶高分子，其中KevlarTM于1972年生产，它是一种高强度、高模量材料，被称为“梦幻纤维”。之后又有自增强塑料XydarTM（美国Dartco公司，1984年）、VectraTM（美国Celanese公司，1985年）、X7GTM（美国Eastman公司，1986年）和EkonolTM（日本住友公司，1986年）等聚酯类液晶高分子生产。

20世纪70年代，FINKELMAN等将小分子液晶显示及存储等特性与聚合物的良好加工特性结合，开发了具有各种功能特性的侧链液晶高分子材料。

作为结构性材料，由于液晶高分子是强度和模量最高的高分子，因此可用于防弹衣、航天飞机、宇宙飞船、人造卫星、飞机、船舶、火箭和导弹等；由于它具有对微波透明，极小的线膨胀系数，突出的耐热性，很高的尺寸精度和尺寸稳定性，优异的耐辐射、耐气候老化、阻燃和耐化学腐蚀性，因此可用于微波炉具、纤维光缆的被覆、仪器、仪表、汽车及机械行业设备及化工装置等；作为功能材料它具有光、电、磁及分离等功能，因此可用于光电显示、记录、存储、调制和气液分离材料等。

沃特LCP应用于5G材料

从首次发现合成高分子多肽溶液的液晶态至今，液晶高分子的历史仅七十余年，但其发展迅速、应用广泛。目前已知的液晶高分子种类很多，据不完全统计，至今已经合成了两千多种结构的液晶高分子。

从科学意义上看，液晶高分子兼有液晶态、晶态、非晶态、稀溶液和浓溶液等各种凝聚态，对它的研究有助于全面了解高分子凝聚态的科学奥秘。

为了更好地研究和开发液晶高分子材料，需要将其进行合理分类。液晶的分类有多种方法，如：按液晶态形成的方式、按高分子的形状和液晶基元的位置、按液晶晶形、按主链的化学结构特征、按聚合物的基本链节类型、按耐温等级等。

本文主要偏重于具有工业价值的液晶高分子的论述，着重选取了按照液晶态形成方式和耐温等级进行分类。

按照液晶态形成的方式可以分为热致液晶高分子（TLCP，以液晶聚酯为代表）和溶致型液晶高分子（LLCP，以KevlarTM为代表）。

按耐热等级可分为I型(高耐热级，成型温度高，热变形温度在320℃左右或更高，如美国Dartco公司的XydarTM和日本住友公司的EkonolTM）、II型(中等耐热级，具有与通用级工程塑料相近的耐热等级和成型加工温度，热变形温度在220℃以上，如美国Celanese公司的VectraTM）和III型（一般耐热级，耐热温度较低，热变形温度在120℃左右，成型加工性能好，价格低，如美国Eastman公司的X7GTM和日本Unitika公司的RodrunTM LC系列）1。

目前，全球有聚合能力的生产企业主要集中在美国和日本。

二、不同的应用领域

由于液晶高分子在力学性能、化学性能和信号传输方面具有良好的特性，所以在多个领域具有极强的应用价值。目前液晶高分子主要应用在工程塑料领域、薄膜领域和纤维领域。未来随着5G时代的到来，因液晶高分子具有优异的介电性能，会进一步拓展到高频封装领域、无人驾驶领域和可穿戴领域等。

1.工程塑料领域

作为工程塑料的液晶高分子主要通过添加玻纤、矿物质及其他添加剂来填充改性，以达到某些特定的规格应用于不同的产品。液晶高分子的早期应用较为单一，基本都是电子器件，随着科技发展逐渐扩宽，应用涵盖了以下应用场景：

电子电器，包括连接器、线圈架、线轴、基片载体、电容器等。

汽车工业，包括汽车燃烧系统元件、燃烧泵、隔热部件、精密元件、电子元件等。

航空航天，包括雷达天线屏蔽罩、耐高温耐辐射壳体等。

液晶高分子在高频段能表现出优异的介电性能，其自身具有较低的介电常数和介电损耗，因此，在5G时代设备对材料的各项性能要求（特别是电性能要求)越来越高的背景下，液晶高分子将会被广泛应用于高速连接器、5G基站天线振子、5G手机天线、高频电路板等方面。

5G传输速度大幅提升，为了确保数据传输的可靠性需要提升高速连接器的性能，从而增加了对低介电常数、低介电损耗连接器材料的需求，液晶高分子具有极低的吸水性和很好的介电稳定性，同时具备低翘曲、高流动性和尺寸稳定性，适合应用于5G高速连接器。

振子是天线内部最为重要的功能性部件，出于减重降本的目的，塑料振子受到关注。雷射直接成型（LDS）工艺生产的塑料振子已经导入量产，其中采用了部分LDS—LCP材料。液晶高分子材料介电损耗、热膨胀系数极低，耐热、耐燃性良好，在5G高频段竞争优势明显。

LDS—LCP材料除了应用在天线振子上，还可以应用于手机天线中。部分安卓系智能终端选择了以LDS等成熟工艺为主的5G天线解决方案。液晶高分子材料具有高流动、薄壁成型和尺寸稳定等特性，超高的耐温特性可通过回流焊制成，适合用于LDS天线

2.薄膜领域

随着5G时代的到来，液晶高分子在微波/毫米波频段内介电常数低、损耗小，并且其热稳定性高、机械强度大、吸水率低，是一种适合于微米/毫米波电路使用、综合性能优异的高分子材料，液晶高分子天线将替代聚酰亚胺（PI）天线。液晶高分子膜的需求量将会迅速增长。

由于液晶高分子膜制备技术壁垒较高及薄膜企业的供应链相对封闭，因此市场上薄膜制备企业稀缺。目前国际市场上掌握天线用液晶高分子制膜核心技术的企业主要是日本的伊势村田制作所、可乐丽株式会社和千代田集团株式会社，而能够达到商品阶段的是集团株式会社村田制作所和可乐丽株式会社的天线用液晶高分子膜，国内尚没有能够自主量产满足天线用液晶高分子膜的企业。国内虽然也有部分厂商开始研发液晶高分子薄膜产品，但是离量产成熟应用的液晶高分子薄膜产品还需要较长的时间。

3.纤维领域

液晶高分子纤维强度大、模量高、质量轻，耐磨损、耐切割、耐次氯酸钠、耐老化等性能优异，是严峻环境下作业人员防护用具材料的优选。液晶高分子纤维和芳纶纤维同属于高强高模的高性能纤维，在高强度的牵引绳缆领域具有较广泛的应用。

而液晶高分子纤维独特具备的低吸湿性，更优越的干/湿态耐磨性能使其在海洋等恶劣的环境中有优异的运用性能；同时，轻质及优异的电绝缘性使其在线缆包覆增强材料的应用上具有优越的综合性能，是一种理想的通信光缆的增强材料。

采用纤维级液晶高分子通过单螺杆挤出机进行熔融纺丝，可形成不同规格的纤维。从液晶高分子的特性来看，液晶高分子纤维主要具有以下优势特点：

优良的力学性能和较低的吸湿性，具有高强高模特性和小于0.1%的回潮率。

出色的耐磨性能，测试数据显示，其耐磨性能优于芳纶纤维。

优良的耐折性能，在6kg负重10d及25kg负重2d的测试条件下，其强度损失均低于2%。

优良的介电性能，在1GHz和10GHz测试条件下，其相对介电常数均低于2。

优良的耐化学性能，在酸性或者碱性的环境中均具有较高的强度保持率。

4.高频封装领域

液晶高分子性能突出，有望应用于5G高频封装材料，尤其是可以用做射频前端的塑封材料，相比于低温共烧陶瓷（LTCC）工艺，使用液晶高分子封装的模组具有烧结温度低、尺寸稳定性强、吸水率低、产品强度高等优势，目前已被行业认作5G射频前端模组首选封装材料之一，应用前景广阔。

5.无人驾驶领域

经过多年的发展，液晶高分子仍未实现大面积普及与高端应用，其主要原因之一便是现有的通信技术无法稳定高效地提供信号传输支持。5G新时代的来临，高速、高频、低时滞的信号传输将大大提升无人驾驶技术的稳定性，液晶高分子天线的毫米波雷达具有探测距离远、分辨率高、方向性较好、体积小等优点，其受到天气环境影响较小，可有效辨别行人，且对驾驶感测精度有不错的提升，因而低介电损耗的液晶高分子天线将成为无人驾驶汽车的绝佳选择。

与汽车制造的高额成本相比，液晶高分子天线的单体价格差异几乎可以忽略不计，因此在未来无人驾驶智能汽车的推广中，液晶高分子天线有望实现高速渗透，提高液晶高分子的市场需求。

6.可穿戴设备领域

可穿戴设备在近年来呈现持续增长势头，可穿戴智能手表作为通信终端，需要高频信号的同步接收，且因其需要体积小、质量轻的特殊性，对空间有较高要求。液晶高分子具有传输效率高且性价比高的优势，随着5G配套网络及应用场景的推广应用，液晶高分子将随着可穿戴设备的增长实现同步高速增长。

三、新技术和新产品

1、像向日葵一样“追光”的智能新材料

去年，天津大学校封伟教授团队受自然界向日葵向光特性启发，成功开发了一种能“追光”的智能新材料——基于MXene增强液晶弹性体的仿生向日葵管状液晶驱动器。相关成果已发表于国际期刊《先进功能材料》。

据封伟介绍，液晶弹性体是一类优异的智能高分子材料，兼具聚合物弹性和液晶各向异性，同时具有多刺激响应性、类似肌肉的机械性能、可逆驱动变形以及形状可编程等性能。

封伟带领研发团队设计并制备了一种可光聚合的二维MXene纳米单体，通过原位光聚合到主链型交联液晶弹性体中，极大增强了材料的机械性能并赋予其优异的光驱动能力。这种新材料能够像植物茎一样向光照射的方向弯曲，还具备在三维空间内所有角度快速感知、连续跟踪和自适应地与入射光相互作用的能力，实现了类似向光性植物的自适应光源精准追踪。

“作为概念验证演示，我们用这种新材料制备了一个‘仿生向日葵’，它能够实时迅速追踪不断变化的非聚集光源。”封伟说：“这项研究不仅为开发兼具感知、自反馈和执行功能的软物质智能材料提供了新思路，还有望为高分子智能材料在自适应光电子学、智能软机器人等领域的应用研究奠定基础。”

2、兼具磁场响应和热响应的液晶弹性体微粒

液晶弹性材料内部的分子具有一定取向性，取向之后的分子会被高分子聚合网络锁定。

这时，施加一个外部刺激比如改变温度，取向的分子会发生相转，从而变成无序的状态，进而带动更大尺度的分子聚合物网络发生形变。

在宏观尺度上，这表现为材料在取向方向的收缩，以及在其垂直方向的膨胀。这意味着，要想编程这种材料的形变，就得控制其内部分子在空间的取向。

此前，多个课题组都曾报道了通过控制液晶分子在弹性体材料中的取向，从而设计材料形变的方法。

每一种都各有优缺点：比如，在液晶材料的选择上仍存在一定的局限性；以及分子取向和高分子聚合网络的形成，必须在同一步骤中完成，以至于很难实现某些特殊分子取向的结构。

也有学者将液晶弹性体材料与其他材料比如水凝胶结合，以便进一步地拓宽材料的选择空间。

然而，这种策略主要基于双层或多层的结构。由于不同材料的热力学性能差别较大，材料之间的粘合性、以及水凝胶材料在使用过程中的稳定性都难以得到很好的控制。

在开发液晶弹性体的新型合成方案、以及相关用途的探索上，宾夕法尼亚大学材料科学与工程系教授杨澍团队耕耘已久。基于此，他们发明了一种将普通高分子材料变为智能高分子材料的普适性方法。

其所使用的材料体系，是将具有智能响应性变形和转向的液晶弹性体微粒，嵌入普通的弹性体材料。在制备液晶弹性体微粒时，他们利用液晶分子在油水界面的效应来产生分子的取向，并通过聚合反应来锁定微粒中分子的取向方向。

然后，再在微粒中加入顺磁性纳米粒子。这时，微粒的长轴方向就能通过磁场来控制。课题组将这些微粒作为原料，连带由普通弹性体材料的前驱体一起倒入模具中，并利用磁场来控制微粒的取向。

由于微粒的密度比前驱体大，微粒会在模具中沉底，在交联和聚合前驱体之后，微粒会被固定在复合薄膜中。

由于微粒在薄膜一侧，并且沿着预先设计的方向取向。所以在加热时，微粒会沿一个方向收缩，这会导致复合薄膜出现弯曲。

进一步地，通过光掩膜和分布聚合的方法，可以让微粒在三维空间实现各种取向，从而实现复合薄膜在三维空间的可编程弯曲。

今年1月份，相关论文以《由空间编码、双响应液晶弹性体微致动器引导的形状变形》（Shape Morphing Directed by Spatially Encoded, Dually Responsive Liquid Crystalline Elastomer Micro-Actuators）为题发表在 Advanced Materials 上，刘明珠是第一作者，杨澍担任通讯作者。

据介绍，这种兼具磁场响应和热响应的液晶弹性体微粒，本身就是一种非常有趣的材料。将它和普通弹性体结合起来，去研究它们在宏观尺度的效应也是非常有创意的。

其次，这种基于微粒尺度来设计材料响应性的方法，为该领域提供了一种新的智能材料合成策略。

文章来源： 艾邦高分子，科技日报，DeepTech深科技