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香港大學陸洋教授團隊:亦剛亦柔的固液雙相磁響應力學超材料

閱讀:971      發布時間:2023-9-28
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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,力學超材料也展現了其他特性,比如可折疊性、抗回彈性、抗破壞性。在醫療、吸能結構、機器人等應用中展現了巨大的潛力。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將磁性顆粒摻雜在固相的高分子基體中,而且現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。

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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)。

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圖 2 在不同磁場強度下的壓縮曲線


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達到穩定狀態,去掉磁場時可以在80 ms 達到穩定狀態(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" 陸洋教授總結道。


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