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香港城市大学在液态金属力学超材料领域取得进展

发布时间:2022-03-14      点击次数:181

图1 液态金属基微点阵力学超材料( https://doi.org/10.1002/smll.202070252)

 

1991年上映的科幻电影《终.结.者2》描绘了一个能够随意变形,可自我修复的液态金属机器人T-1000,展现了液态金属应用的无限可能。电影中液态金属机器人是邪.恶的化身,在实际应用中,液态金属却大有裨益,特别是在小尺度一些精密的应用上,如神经纤维修复和微型机器人。然而直接暴露的液态金属不易操作,且容易腐蚀其他金属,应用不当会带来不良后果,有鉴于此,香港城市大学“纳米制造实验室”的科研团队正在尝试在微观尺度上“驾驭”液态金属,使得其为未来精密应用,特别是金属力学超材料带来更多新的可能。

 

目前的金属微点阵力学超材料具有超轻、高比强度等特性,在无人机机翼、小微型电子器械等器件上具有很好的应用前景。但是,目前这类力学超材料的韧性较差,且在服役过程中容易脆断失效。为了提高韧性,香港城市大学机械工程学系陆洋教授领导的研究团队开发了液态金属-聚合物微点阵力学超材料。该材料不仅有良好的韧性,而且充分利用低温度范围下液态金属的特性,实现了类似科幻电影中复杂形态液态金属的自我修复功能。该项研究成果发表在国际期刊《Small》(https://doi.org/10.1002/smll.202004190)。

 

该团队基于摩方精密(BMF)超高精度光固化3D打印机nanoArch S140打印出中空的聚合物外框,壁厚100-300 μm。采用真空液体填充技术在聚合物薄壳中注入液态金属镓(Ga),首.次制备了液态金属-聚合物核壳结构的微点阵力学超材料。该材料具有以下特点:

 

良好的断裂韧性

图2 液态金属-高分子点阵力学超材料良好的断裂韧性

 

良好的断裂韧性。相比于实心或空心高分子点阵结构,液态金属-高分子点阵力学超材料避免了受压过程中的脆断失效现象。这是由于Ga的存在,阻碍了裂纹在高分子外壳中的扩展,使得该结构在裂纹出现后依然可以承受载荷。

 

形状记忆效应

图3 液态金属-高分子点阵力学超材料良好的形状记忆效应

 

形状记忆效应。得益于Ga较低的固液转变温度(29.7℃),当Ga为固态时,能够完.美的保持变形后形状;Ga融化后,该结构又能完.美的恢复至原始形貌,表现出形状记忆效应。当采用合理的拓扑结构,该材料被大幅压缩20%后,依然能够完.美的恢复。

 

优异的断裂恢复性

 图4 液态金属-高分子力学超材料优异的断裂恢复能力

 

优异的断裂恢复性。即使部分断裂后的液态金属基微点阵结构超材料依然能够基本恢复原始形状,并且能够保持一定的承载性能(≥50%初始强度)。部分断裂的高分子外壳在Ga融化后恢复至原始状态,驱动整体结构恢复至原始形状。

 

综上所述,被3D打印包裹“驾驭”的液态金属核心表现出良好的韧性、形状记忆效应及优异的断裂恢复能力。这种新型的液态金属基微点阵力学超材料有望在生物医疗器械、微电子器件及微型机器人等应用获得巨大的潜力,甚至实现一些以往在《终.结.者》或者《变形金刚》等科幻电影里才能看到的前沿应用场景。