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