瑞士保罗谢尔研究所(PSI)和苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究人员成功研发出一种可由磁性条件激励其形状记忆效应的新型复合材料。当被放入磁场中时材料将保持某种特定的形状。新型复合材料与传统磁感应形状记忆材料不同,它由聚合物和嵌入其中的所谓磁流变液体的液滴组成。这种新型复合材料的应用领域包括医药、航空航天、电子和机器人。该研究结果发表在科学期刊Advanced Materials上。

瑞士研究人员研发新型磁致感应形状记忆复合材料-复合材料网

新材料的变化过程从视频中看起来就像一个魔术:在施加磁场之前,黑色条状材料在平台上保持柔软状态,没有表现出任何更多的性状。黑色条状材料由两种成分组成:硅基树脂聚合物和水与甘油的混合液滴,其中漂浮着微小羰基铁颗粒。后者提供材料的磁性和形状记忆效应。如果用镊子将复合材料强制扭曲成某种形状然后暴露在磁场中,即使取下镊子也能保持扭曲形状。只有当磁场也被移除时,材料才会恢复其原始形状。

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到目前为止,传统形状记忆复合材料多由聚合物基体树脂和金属粒子填料组成。然而保罗谢尔研究所和苏黎世联邦理工学院的研究人员使用水滴和甘油将磁性粒子嵌入聚合物基体树脂中。通过这种方式,研究人员得到了类似于牛奶的磁流变液滴分散体。

就像牛奶中的微小的脂肪滴分散在水溶液中一样,细小的磁流变液滴也均匀地分布在复合材料中。“由于分散在聚合物基体中的磁敏相是液体,因此施加磁场时产生的力比以前报道的要大得多,”保罗谢尔研究所介观系统研究组负责人兼苏黎世联邦理工学院教授Laura Heyderman解释道,“如果磁场作用在复合材料上,它会变硬。这种新的材料概念只能通过磁性材料和柔性材料两个完全不同领域的专业团队之间的合作来实现。”

通过与磁场方向一致形成形状记忆效应

研究人员在保罗谢尔研究所的瑞士光源(SLS)X射线检测设备的帮助下研究了这种新材料。在X射线断层图像中,他们发现聚合物中液滴的长度在磁场的影响下变长,并且液体中的羰基铁颗粒至少部分地沿着磁力线排列。这两个因素使测试材料的刚度提高了30倍。

除了较高的力之外,新材料的磁致形状记忆效应具有更多优势。大多数形状记忆材料会对温度变化做出反应。在医疗应用中会导致两个问题。首先过多的热量会损害人体的细胞。其次无法保证形状记忆材料的均匀升温。通过磁场条件激励形状记忆效应可以避免这两个缺点。

用于医学和机器人的机械活性材料

新型复合材料可以在医学、太空飞行、电子和机器人技术领域中得到广泛应用。例如,在医学领域,进行血栓微创手术时可改变通过血管的手术导管的硬度,减轻患者副作用。在太空探索领域,形状记忆材料可用于探测漫游车上自行充气或折叠的轮胎。在电子设备领域,软功能材料可用于柔性电源、数据电缆或可穿戴设备。形状记忆材料也为机器人领域创造了新的可能性,例如可以在没有马达的情况下执行机械运动。