主要观点总结
文章介绍了液晶聚合物网络（LCN）作为一种高性能能量耗散材料的研究进展。研究人员通过引入结晶性的液晶线型聚合物（c-LCP）到LCN中，成功开发出兼具优良力学性能与耗散性能的液晶半互穿网络（LC-semi-IPN）。该材料具有良好的能量耗散性能和力学性能，能够有效平衡阻尼材料的性能矛盾。该研究成果对于液晶聚合物网络的实际应用具有重要意义。
关键观点总结
关键观点1: 液晶聚合物网络（LCN）在能量耗散领域的应用前景广阔。
LCN具有液晶性，其阻尼性能不仅在玻璃化转变温度（Tg）附近出现峰值，也会在液晶相-各向同性相转变温度（Ti）附近表现出优异表现。
关键观点2: 液晶线型聚合物（c-LCP）的引入提升了LCN的力学性能和能量耗散性能。
通过构建LC-semi-IPN，实现了力学性能与耗散性能的协同优化。c-LCP的结晶特性提升了LC-semi-IPN的力学性能，同时c-LCP的运动及其与LCN的摩擦使得LC-semi-IPN具有良好的能量耗散特性。
关键观点3: LC-semi-IPN的实际应用前景广泛。
LC-semi-IPN可用于制备轻量化、高性能的能量耗散结构件，具有良好的缓震和抗变形能力。此外，该策略也有望应用于其他聚合物材料体系，获取高性能能量耗散材料。
正文
随着现代工业的迅速发展，振动与噪音污染等问题愈发显著，不仅影响设备和仪器的正常运作，也对人们的身心健康构成威胁。为此，研究人员们不断探寻高性能的能量耗散材料，实现有效地减振降噪。
液晶聚合物网络（
LCN
）是一种
极具潜力的能量耗散聚合物材料。
LCN
的液晶性赋予其区别于传统聚合物的新相变温度
——
液晶相
-
各向同性相转变温度（
T
i
）：传统聚合物的阻尼性能在玻璃化转变温度（
T
g
）达到峰值；而
由于
LCN
独特的液晶性，其阻尼性能不仅在
T
g
附近出现峰值，也会在
T
i
温度附近表现出优异表现。此外，
LCN
还具有特殊的
“
软弹性
”
：在外力作用下，
其应变增加的同时能够保持几乎一定应力。在此过程中，
LCN
的液晶基元发生偏转，能够有效吸收外界施加的能量，实现能量耗散。
然而，当前具有良好
能量耗散性能的
LCN
通常缺少良好的力学性能
，限制其使用寿命与应用场景。如何获取力学性能与耗散性能兼优的液晶聚合物网络，是
L
CN
走向实际应用的重要环节。
清华大学化学系生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验室
吉岩团队
在液晶能量耗散材料领域取得了重要进展。该
团队提出一种基于液晶半互穿网络（
LC-semi-IPN
）的高性能能量耗散材料，通过在
LCN
中引入结晶性的液晶线型聚合物（
c-LCP
），从而构筑得到兼具优良的力学性能与耗散性能的
LC-semi-IPN
，实现力学性能与耗散性能的协同优化。液晶线型聚合物的结晶特性能够显著提升
LC-semi-IPN
力学性能
，
c-LCP
聚合物链的运动及其与
L
CN
的摩擦使得
LC-semi-IPN
具有良好的能量耗散特性。
该工作以
“Robust liquid crystal semi-interpenetrating polymer network with superior energy-dissipation performance”
为题发表在《
Nature Communications
》上（
Nat. Commun. 2024, 15, 9902
）。文章第一作者是清华大学
杨志俊博士
，通讯作者是清华大学
吉岩副教授
。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
图
1 LCN
与
LC-semi-IPN
的能量耗散行为与力学增强的示意图。通过引入
c-LCP
，能够实现液晶聚合物网络的力学性能提高，并且拓宽其有效阻尼温域（
tanδ＞0.3
）。
图
2
展示了
c-LCP
与
LCN
的基本化学结构。
c-LCP
与
LCN
的合成均基于硫醇
-
迈克尔加成反应。
c-LCP
与
LC-semi-IPN
的结晶行为可以由
X
射线衍射分析（
XRD
）与差示扫描量热（
DSC
）进行表征。阻尼因子
tanδ
是用以判断聚合物材料阻尼特性的重要参数，通常地，
tanδ＞0.3
的温度范围被称为
“
有效阻尼温域
”
，流变测试结果表明，
LC-semi-IPN
的有效阻尼温域高达
130℃
，远超于先前报道的
LCN
阻尼材料。
图
2 LC-semi-IPN
的组成、结晶行为与阻尼特性。
由于
c-LCP
的引入，
LC-semi-IPN
也表现出结晶行为，其力学性能也有了明显提高。图
3
与图
4
分别展现了
LC-semi-IPN
在拉伸与压缩条件下的力学行为。在拉伸测试中，与
LCN
相比，
LC-semi-IPN
的杨氏模量提高了
18
倍。在拉伸
-
回缩循环实验中，
LC-semi-IPN
比
LCN
展现出更高的能量耗散与能量耗散百分比。改变拉伸测试的应变速率，
LC-semi-IPN
仍能够表现出更优的能量耗散性能与力学性能。相似地，在压缩测试中，在不同的压缩应变速率条件下，
LC-semi-IPN
同样表现出更优的能量耗散性能与力学性能。
图
3 LC-semi-IPN
与
LCN
在拉伸条件下的力学特性。
图
4 LC-semi-IPN
与
LCN
在压缩条件下的力学特性。
为了验证
LC-semi-IPN
在实际应用场景中缓震与抗变形的特性，设计如下的落球实验（图
5
）。将商用
PDMS
聚硅氧烷减振片、
LCN
与
LC-semi-IPN
覆盖于载玻片上，并保留一组空白实验，将
50 g
小钢球从距离载玻片
1 m
的上空落下。空白组实验与覆盖
PDMS
的载玻片发生明显破碎，覆盖
LCN
的载玻片也出现裂痕，然而覆盖
LC-semi-IPN
的载玻片未出现裂纹与破碎，表明
LC-semi-IPN
具有良好的缓震特性。此外，将
PDMS
、
LCN
与
LC-semi-IPN
覆盖于中空的块体，将
25 g
小钢球从距离块体
1 m
的上空落下，
PDMS
样片出现明显裂纹，
LCN
样片发生变形，而
LC-semi-IPN
样片仍能够保持原有形状，表明
LC-semi-IPN
具有良好的抗变形能力。
图
5 LC-semi-IPN
与
LCN
在落球实验中缓震与抗变形行为（比例尺：
2.5 mm
）。
LC-semi-IPN
也可用以制备轻量化、高性能的能量耗散结构件（图
6
）。在压缩
-
回复循环测试中，基于
LC-semi-IPN
的结构件具有远超于
LCN
结构件的能量耗散能力。此外，当外界压力释放后，
LC-semi-IPN
结构件能够逐渐恢复其原有形状，能够保持基本相似的能量耗散能力，表明其具有可重复使用特性。
图
6 LC-semi-IPN
结构件在压缩实验中的能量吸收特性。
综上所述，
LC-semi-IPN
兼具良好的力学性能与能量耗散特性，有效地平衡了阻尼材料的力学性能与耗散性能间的矛盾。此外，该策略也有望应用于其它聚合物材料体系，获取高性能能量耗散材料。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54233-x
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