香港大學陸洋教授團隊：3D打印亦剛亦柔的固液雙相磁響應力學超材料

來源：力學人

近年來，微點陣超力學材料以其輕質高強的特性吸引了廣大研究者的關注，近些年隨著材料制備技術的進步，力學超材料也展現(xiàn)了其他特性，比如可折疊性、抗回彈性、抗破壞性。在醫(yī)療、吸能結構、機器人等應用中展現(xiàn)了巨大的潛力。磁響應力學超材料有快速響應、可遠程控制等特性，目前的磁響應材料大多數(shù)將磁性顆粒摻雜在固相的高分子基體中，而且現(xiàn)有的磁響應材料通常需要在強磁場(≥0.1 mT)下工作。

為了構建在低磁場下響應的磁響應力學超材料，香港大學陸洋教授團隊設計了一種“亦剛亦柔”的固液雙相力學超材料，包含液相的磁流變體和固相的柔軟高分子微點陣外殼（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中空的微格框架中，這種方法也為大尺度固液雙相結構制備提供新思路。

圖 1 固液雙相微點陣力學超材料（a）示意圖（b）實物圖，該結構利用摩方精密nanoArch® S140 Pro設備加工制備

研究人員測試了不同磁場強度下微晶格力學超材料的力學性能，研究結果表明在60mT的磁場強度下模量增加200%（圖 2），這種低磁場下的高模量增加來源于雙相結構較低的起始模量。此外，柔性的外殼也讓固液雙相磁響應力學超材料在劇烈變形后可以復原，可作為吸能材料 （圖 3）。

圖 2 在不同磁場強度下的壓縮曲線

（a）

（b）

圖 3 （a）固液雙相力學超材料的柔性（b）不同磁場強度下抗沖擊性展示

研究人員測試了該固液雙相結構在電磁場下的響應時間，施加磁場時可以在180 ms達到穩(wěn)定狀態(tài)，去掉磁場時可以在80 ms 達到穩(wěn)定狀態(tài)（圖4 a,b），相比于之前的工作，響應時間大幅度減小，作者認為這是由于電磁鐵可以更快速精準的建立磁場。得益于磁場快速響應的特性，該超材料展現(xiàn)了可編程的力學性能（圖4 c,d）。

圖 4 磁響應力學超材料的響應時間（a）施加磁場（b）撤銷磁場（c）在壓縮實驗過程中增加磁場強度（d）在壓縮實驗過程中減小磁場強度

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

“通過磁場大幅度調控超材料的力學性能是一次有意義的嘗試，我們希望此項工作可以給微型柔性機器人、人工肌肉等領域的應用帶來啟發(fā)” 陸洋教授總結道。

本研究受到了深圳市科創(chuàng)委項目、國家自然科學基金委員會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基金資助。

原文鏈接：

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