香港大學(xué)陸洋教授團(tuán)隊(duì)：3D打印亦剛亦柔的固液雙相磁響應(yīng)力學(xué)超材料

來(lái)源：力學(xué)人

近年來(lái)，微點(diǎn)陣超力學(xué)材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性吸引了廣大研究者的關(guān)注，近些年隨著材料制備技術(shù)的進(jìn)步，力學(xué)超材料也展現(xiàn)了其他特性，比如可折疊性、抗回彈性、抗破壞性。在醫(yī)療、吸能結(jié)構(gòu)、機(jī)器人等應(yīng)用中展現(xiàn)了巨大的潛力。磁響應(yīng)力學(xué)超材料有快速響應(yīng)、可遠(yuǎn)程控制等特性，目前的磁響應(yīng)材料大多數(shù)將磁性顆粒摻雜在固相的高分子基體中，而且現(xiàn)有的磁響應(yīng)材料通常需要在強(qiáng)磁場(chǎng)(≥0.1 mT)下工作。

為了構(gòu)建在低磁場(chǎng)下響應(yīng)的磁響應(yīng)力學(xué)超材料，香港大學(xué)陸洋教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種“亦剛亦柔”的固液雙相力學(xué)超材料，包含液相的磁流變體和固相的柔軟高分子微點(diǎn)陣外殼（圖 1）。研究人員利用真空填充的方式，將磁流變體完美的填充進(jìn)中空的微格框架中，這種方法也為大尺度固液雙相結(jié)構(gòu)制備提供新思路。

圖 1 固液雙相微點(diǎn)陣力學(xué)超材料（a）示意圖（b）實(shí)物圖，該結(jié)構(gòu)利用摩方精密nanoArch® S140 Pro設(shè)備加工制備

研究人員測(cè)試了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下微晶格力學(xué)超材料的力學(xué)性能，研究結(jié)果表明在60mT的磁場(chǎng)強(qiáng)度下模量增加200%（圖 2），這種低磁場(chǎng)下的高模量增加來(lái)源于雙相結(jié)構(gòu)較低的起始模量。此外，柔性的外殼也讓固液雙相磁響應(yīng)力學(xué)超材料在劇烈變形后可以復(fù)原，可作為吸能材料 （圖 3）。

圖 2 在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的壓縮曲線(xiàn)

（a）

（b）

圖 3 （a）固液雙相力學(xué)超材料的柔性（b）不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下抗沖擊性展示

研究人員測(cè)試了該固液雙相結(jié)構(gòu)在電磁場(chǎng)下的響應(yīng)時(shí)間，施加磁場(chǎng)時(shí)可以在180 ms達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，去掉磁場(chǎng)時(shí)可以在80 ms 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（圖4 a,b），相比于之前的工作，響應(yīng)時(shí)間大幅度減小，作者認(rèn)為這是由于電磁鐵可以更快速精準(zhǔn)的建立磁場(chǎng)。得益于磁場(chǎng)快速響應(yīng)的特性，該超材料展現(xiàn)了可編程的力學(xué)性能（圖4 c,d）。

圖 4 磁響應(yīng)力學(xué)超材料的響應(yīng)時(shí)間（a）施加磁場(chǎng)（b）撤銷(xiāo)磁場(chǎng)（c）在壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中增加磁場(chǎng)強(qiáng)度（d）在壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中減小磁場(chǎng)強(qiáng)度

2023 年 8 月 25 日，相關(guān)論文以Magnetoactive microlattice metamaterials with highly tunable stiffness and fast response rate為題發(fā)表在 NPG Asia Materials上。

“通過(guò)磁場(chǎng)大幅度調(diào)控超材料的力學(xué)性能是一次有意義的嘗試，我們希望此項(xiàng)工作可以給微型柔性機(jī)器人、人工肌肉等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)啟發(fā)” 陸洋教授總結(jié)道。

本研究受到了深圳市科創(chuàng)委項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與香港研究資助局聯(lián)合科研資助基金以及香港城市大學(xué)基金資助。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41427-023-00492-x