香港大学陆洋教授团队：3D打印亦刚亦柔的固液双相磁响应力学超材料

来源：力学人

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，将磁流变体完美的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

（a）

（b）

图 3 （a）固液双相力学超材料的柔性（b）不同磁场强度下抗冲击性展示

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。

本研究受到了深圳市科创委项目、国家自然科学基金委员会与香港研究资助局联合科研资助基金以及香港城市大学基金资助。

原文链接：

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