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香港大学陆洋教授团队:亦刚亦柔的固液双相磁响应力学超材料

更新时间:2023-09-28      点击次数:427

近年来,微点阵超力学材料以其轻质高强的特性吸引了广大研究者的关注,近些年随着材料制备技术的进步,力学超材料也展现了其他特性,比如可折叠性、抗回弹性、抗破坏性。在医疗、吸能结构、机器人等应用中展现了巨大的潜力。磁响应力学超材料有快速响应、可远程控制等特性,目前的磁响应材料大多数将磁性颗粒掺杂在固相的高分子基体中,而且现有的磁响应材料通常需要在强磁场(≥0.1 mT)下工作。

为了构建在低磁场下响应的磁响应力学超材料,香港大学陆洋教授团队设计了一种“亦刚亦柔"的固液双相力学超材料,包含液相的磁流变体和固相的柔软高分子微点阵外壳(图 1)。研究人员利用真空填充的方式,将磁流变体填充进中空的微格框架中,这种方法也为大尺度固液双相结构制备提供新思路。

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图 1 固液双相微点阵力学超材料(a)示意图(b)实物图,该结构利用摩方精密nanoArch® S140 Pro设备加工制备

研究人员测试了不同磁场强度下微晶格力学超材料的力学性能,研究结果表明在60mT的磁场强度下模量增加200%(图 2),这种低磁场下的高模量增加来源于双相结构较低的起始模量。此外,柔性的外壳也让固液双相磁响应力学超材料在剧烈变形后可以复原,可作为吸能材料 (图 3)。

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图 2 在不同磁场强度下的压缩曲线


研究人员测试了该固液双相结构在电磁场下的响应时间,施加磁场时可以在180 ms达到稳定状态,去掉磁场时可以在80 ms 达到稳定状态(图4 a,b),相比于之前的工作,响应时间大幅度减小,作者认为这是由于电磁铁可以更快速精准的建立磁场。得益于磁场快速响应的特性,该超材料展现了可编程的力学性能(图4 c,d)。

图 4 磁响应力学超材料的响应时间(a)施加磁场(b)撤销磁场(c)在压缩实验过程中增加磁场强度(d)在压缩实验过程中减小磁场强度

2023 年 8 月 25 日,相关论文以Magnetoactive microlattice metamaterials with highly tunable stiffness and fast response rate为题发表在 NPG Asia Materials上。

“通过磁场大幅度调控超材料的力学性能是一次有意义的尝试,我们希望此项工作可以给微型柔性机器人、人工肌肉等领域的应用带来启发" 陆洋教授总结道。


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