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
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。
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）。
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。
备注：已获得转载版权
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