自響應(yīng)可變機電性能材料問世

(資料圖)

記者1月29日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)了解到，該校工程科學(xué)學(xué)院機器人與智能裝備研究所張世武教授團隊與英國和澳洲合作者組成的聯(lián)合研究組，成功開發(fā)了一種可以響應(yīng)外界機械載荷和電信號變化從而自主調(diào)節(jié)機械剛度、電導(dǎo)率和靈敏度的新型復(fù)合材料。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《科學(xué)進展》上。

傳統(tǒng)材料的電導(dǎo)率和機械剛度等物理性能往往是固定不變的。但如今越來越多的應(yīng)用場景，例如軟體機器人、醫(yī)療手術(shù)設(shè)備和可重構(gòu)電子器件，需要一種可根據(jù)環(huán)境變化主動調(diào)節(jié)物理性能的智能材料。然而，現(xiàn)有的此類材料往往需要外部控制裝置來調(diào)節(jié)溫度，不能自主響應(yīng)壓力或變形等環(huán)境變化。這些材料只能在絕緣體和導(dǎo)體間切換，而不能實現(xiàn)電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)。

為填補這一研究空缺，聯(lián)合研究組開發(fā)了一種由鎳微米顆粒、低熔點菲爾德合金和聚合物基體組成的復(fù)合導(dǎo)電彈性體。這種材料的電導(dǎo)率可在包括壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲在內(nèi)的機械載荷下指數(shù)增強超過一千萬倍。當材料被加熱至60℃以上時，其中的菲爾德合金顆粒融化。熔化的菲爾德合金液滴不能像固體顆粒一樣互相接觸以形成導(dǎo)電路徑，而是在載荷下隨聚合物基質(zhì)變形。這顯著降低了材料的彈性模量，導(dǎo)電性和應(yīng)變靈敏度，從而實現(xiàn)剛度和電阻的自觸發(fā)協(xié)調(diào)增效調(diào)節(jié)。

通過將這種材料的可調(diào)節(jié)電阻/剛度特性相結(jié)合，研究組開發(fā)了一種可用于機械臂關(guān)節(jié)的可變剛度多軸柔性補償器。與當前最先進的商業(yè)補償單元相比，研究組開發(fā)的裝置提供了大得多的彎曲補償。此外，研究組還基于這種材料開發(fā)了一種可重復(fù)使用的限流低溫保險絲，它具有更緊湊的結(jié)構(gòu)、更低的熔斷溫度以及更快的熔斷和恢復(fù)速度。

這種可響應(yīng)環(huán)境變化的智能材料實現(xiàn)了可調(diào)節(jié)電氣和機械性能的協(xié)同利用，充分展現(xiàn)了它為下一代軟體機器人和電子設(shè)備帶來革命性改變的潛力。

(中國科大供圖)

關(guān)鍵詞： 這種材料 物理性能 智能材料 可重復(fù)使用 固體顆粒