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。
1.一种刚度可控的液态金属复合纤维材料，其特征在于，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，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，所述磁性颗粒重新散乱分布，所述纤维回到无约束状态，材料重新回到柔性状态。
2.根据权利要求1所述刚度可控的液态金属复合纤维材料，其特征在于，所述液态金属为汞、铋、镓铟锡合金、铋铟锡合金或镓铟合金，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。
3.根据权利要求2所述刚度可控的液态金属复合纤维材料，其特征在于，所述镓铟合金为共晶镓铟合金，所述纤维为碳纤维束、涤纶、腈纶或尼龙，所述磁性颗粒为铁、钴、镍及其合金的纳米颗粒。
4.根据权利要求3所述刚度可控的液态金属复合纤维材料，其特征在于，所述共晶镓铟合金由质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成；所述碳纤维束由1000～5000根单根直径为7微米的碳纤维丝聚合而成，直径0.01～0.6毫米，长度可调；所述纳米颗粒的粒径为10～
5.根据权利要求1所述刚度可控的液态金属复合纤维材料，其特征在于，通过调节用于刚度调控的磁场具体参数，来调整材料刚度，磁场强度越大，材料的刚度越高。
6.根据权利要求1或5所述刚度可控的液态金属复合纤维材料，其特征在于，采用不均匀空间分布的磁场，提高材料的刚度。
7.权利要求1所述刚度可控的液态金属复合纤维材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将适量磁性颗粒置于液态金属中，加入盐酸，充分搅拌至混合均匀，用去离子水冲洗掉盐酸与表面附着的多余的磁性颗粒；
2)将适量纤维均匀混入上一步中得到的混有磁性颗粒的液态金属，适当搅拌令纤维均匀分布。
8.根据权利要求7所述刚度可控的液态金属复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述盐酸的质量分数为5％，盐酸与液态金属的体积比为20：1。
一种刚度可控的液态金属复合纤维材料及其制备方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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
[0003] 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
[0004] 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。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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％，[0013] 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。
[0014] 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：
[0015] 1)将适量磁性颗粒置于液态金属中，加入盐酸，充分搅拌至混合均匀，用去离子水冲洗掉混合物表面附着的多余的磁性颗粒与盐酸；
[0016] 2)将适量纤维均匀混入上一步中得到的混有磁性颗粒的液态金属，适当搅拌令纤维均匀分布。
[0017] 所述盐酸的质量分数为5％，盐酸与液态金属的体积比为20：1，最终所得的复合材料中不含盐酸。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0019] 1、本发明采用磁场为刚度控制手段，比起传统的电控、温控等手段，具有响应速度快、操作简便的优点，为其在生物体内无损应用提供了可能。
[0020] 2、本发明中的材料刚度可控范围大，刚度可从0调节至接近传统金属材料，传统的材料调控的范围往往仅局限于高分子有机物的范畴。
[0021] 3、本发明中的材料具有优良的导电性、导热性等金属性质，传统的材料主要为有机物，导电性、导热性均较差。
[0022] 4、本发明中材料的刚度调控是可逆的，只需撤去磁场即可恢复柔性，而传统的材料多为不可逆，无法再次恢复柔性。
附图说明
[0023] 图1是本发明刚度可控的液态金属复合纤维材料内部分布示意图。
[0024] 图2是施加磁场后刚度可控的液态金属复合纤维材料内部分布示意图。
[0025] 图3是本发明刚度可控的液态金属复合纤维材料在柔性机器人中的应用示意图。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行描述。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
[0027] 参考图1，本发明中所述的刚度可控的液态金属复合纤维材料，主要由液态金属1、纤维2及磁性颗粒3构成。
[0028] 参考图2，对该种刚度可控的液态金属复合纤维材料的刚度进行调控的具体步骤如下：
[0029] 1、当无磁场施加时，该材料保持液态，具有良好的流动性，此时该材料可视为完全柔性。
[0030] 2、当施加外部磁场4时，液态金属1中的磁性颗粒3会沿磁场方向有序排布，此时液态金属中纤维2受到颗粒有序排布的约束也会沿特定方向排布，当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。
[0031] 3、当撤去外加磁场时，液态金属中磁性颗粒重新散乱分布，纤维也回到无约束状态，材料重新回到柔性状态。
[0032] 以下是本发明材料的具体应用实例。
[0033] 实施例1：
[0034] 刚度可控的液态金属复合纤维材料在柔性机器人中的应用:
[0035] 本发明中所述的材料可以作为柔性机器人的执行器的原材料。如图3所示，该柔性机器人主要机构为机器人控制部分11及由本发明中所述材料制成的柔性臂12，在无外加磁场的情况下，该材料体现柔性，机器人可以根据环境自由改变形状，跨越过障碍13贴合在需要抓取的物体14上。当施加磁场时，该材料刚度变高，可以抓握起物体，并对物体进行操作。具体示意图见图3。这种材料可以帮助减少柔性机器人的占地空间，也可扩大柔性机器人的应用领域。。
[0036] 实施例2：
[0037] 刚度可控的液态金属复合纤维材料在可穿戴外骨骼中的应用:
[0038] 本发明中所述材料可以作为可穿戴外骨骼的原材料。在无外加磁场的情况下，该材料体现柔性，外骨骼可紧密贴合在穿戴人身上，且不影响其正常活动。当施加磁场时，该材料的刚度提高，可以对穿戴人起到局部支持作用，帮助其完成任务。任务完成后撤去磁场，材料恢复柔性，不影响穿戴人的正常生活。这种可穿戴外骨骼不仅舒适度大大提高，还可以更好的贴合穿戴人的身体曲线，实现更好的支持作用。
