[发明专利]一种刚度可控的液态金属复合纤维材料及其制备方法

说明书

一种刚度可控的液态金属复合纤维材料，包括液态金属，液态金属中分布有磁性颗粒和纤维，在无磁场施加时，材料保持液态，具有良好流动性；在施加外部磁场时，磁性颗粒沿磁感线方向有序排布，纤维在磁性颗粒有序排布的约束下沿特定方向排布，使得受到外力作用时可以作为支架起到维持结构稳定的作用；当撤去外加磁场时，磁性颗粒重新散乱分布，纤维回到无约束状态，材料重新回到柔性状态，本发明还提供了该材料的制备方法。本发明通过模拟自然界中叶片的结构，在混有磁性颗粒的液态金属中添加纤维，通过磁场调控纤维的分布来实现材料的刚度调控，响应快速，控制精确，操作便捷，可以应用在柔性机器人及外骨骼等多种领域。

技术领域

本发明属于液态金属复合纤维技术领域，特别涉及一种刚度可控的液态金属复合纤维材料及其制备方法。

背景技术

材料智能化是现在材料科学的重要发展方向，如何方便、快捷的调控材料的性质使之能够适应在不同场合的功能要求是亟待解决的问题之一。刚度可控性材料可以根据人们的需求在刚性支持与柔性运动间自由切换，可以大大节省装置空间与重量，并实现更为优秀的性能

现有的刚度可控的材料主要成分为有机物，需在外场(多为电场)作用下才能实现刚度的调控。这种材料的力学、电学性质相对金属材料均较差，刚性调控的条件对环境要求较高，且很难实现快速简便的可逆性调控。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种刚度可控的液态金属复合纤维材料及其制备方法，通过模拟自然界中叶片的结构，在混有磁性颗粒的液态金属中添加特定纤维材料，通过磁场来调控液态金属中纤维的分布来实现材料本身的刚度调控。利用该制造方法可以制造出快速响应、控制精确及操作便捷的刚性可控的液态金属复合纤维材料。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种刚度可控的液态金属复合纤维材料，包括液态金属，液态金属中分布有磁性颗粒和纤维，在无磁场施加时，材料保持液态，具有良好流动性，此时该材料可视为完全柔性；在施加外部磁场时，所述磁性颗粒沿磁感线方向有序排布，所述纤维在磁性颗粒有序排布的约束下也会沿特定方向排布，使得受到外力作用时可以作为支架起到维持结构稳定的作用，采用不同的磁场参数(如强度、分布等)可以对此时的纤维分布起到调控作用，从而使该材料表现出不同的刚度；当撤去外加磁场时，所述磁性颗粒重新散乱分布，所述纤维也回到无约束状态，材料重新回到柔性状态。

所述液态金属可以为汞、铋、镓铟锡合金、铋铟锡合金或镓铟合金等其它组分的低熔点金属，所述纤维为细长丝状结构，所述磁性颗粒指具有磁性的微颗粒。

所述镓铟合金优选为共晶镓铟合金，由质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成。

所述纤维为碳纤维束、涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维)、腈纶(聚丙烯腈纤维)或尼龙(聚酰胺纤维)等其他种类的参数相近的有机纤维，所述碳纤维束由1000～5000根单根直径约为7微米的碳纤维丝聚合而成，直径约为0.01～0.6毫米，长度可自行调节。

所述磁性颗粒可以为铁、钴、镍及其合金等具有磁性物质的纳米颗粒，粒径为10～2000纳米。

本发明中所述的纤维是指细长的丝状物，一般为碳纤维束，由1000～5000根单根直径约为7微米的碳纤维丝聚合而成，直径约为0.01～0.6毫米，长度可自行调节。

材料中所述液态金属的质量分数为75～80％，磁性颗粒的质量分数为15～25％，

本发明中所述的用于刚度调控的磁场具体参数可根据实际需求调节，一般来说，磁场强度越大，该材料的刚度越高，此外磁场的不均匀空间分布对材料的刚度也有一定提高作用。

本发明还提供了所述刚度可控的液态金属复合纤维材料的制备方法，包括如下步骤：