一种基于液态金属的纤维骨架材料及其制备方法技术

一种基于液态金属的纤维骨架材料，包括纤维骨架和液态金属，其中，纤维骨架主要起支撑作用，将外加负载沿纤维走向分散至各处；液态金属填充于纤维骨架，起到补充支撑作用，随着存在状态的改变实现刚度调节，当温度低于液态金属的熔点时，液态金属以固态存在，材料刚度最大；随着温度的升高，液态金属逐渐由固态转化为液态，材料刚度逐渐降低，当液态金属完全以液态存在时，材料的刚度减至最小，本发明专利技术还提供了其制备方法，本发明专利技术所得材料的刚度可随外界温度的高低不断变化，是一种良好的刚度可控性材料，可以应用在柔性机器人及外骨骼等多种领域。

A fibrous skeleton material based on liquid metal and its preparation method

A fibrous skeleton material based on liquid metal, including the fiber skeleton and the liquid metal, in which the fibrous skeleton is mainly supported, and the external load is dispersed along the fiber to all places. The liquid metal is filled with the fiber framework to supplement the support. With the change of the state of existence, the stiffness is adjusted and the temperature is adjusted. When the melting point of the liquid metal is below the melting point of the liquid metal, the liquid metal exists in solid state and the material stiffness is maximum. As the temperature rises, the liquid metal is gradually transformed from the solid to the liquid. The stiffness of the material decreases gradually. When the liquid metal is completely liquid, the stiffness of the material is reduced to a minimum. The invention also provides the preparation method. The stiffness of the material can be changed with the external temperature. It is a good stiffness controllable material, which can be used in many fields, such as flexible robot and exoskeleton.

【技术实现步骤摘要】
一种基于液态金属的纤维骨架材料及其制备方法
本专利技术属于纤维骨架材料
，特别涉及一种基于液态金属的纤维骨架材料及其制备方法。
技术介绍
纤维骨架材料泛指以纤维作为内部骨架、外部填充有柔性物质的一系列复合材料，其内部纤维构成的网络状骨架可将材料所受的力分散至各处，具有韧性高、强度大及承载力好等优点，在橡胶制品如轮胎、胶带及软管等领域有着重要的应用。此外，构建纤维骨架的原材料不同，其沿骨架不同方向的力学性质也会有很大区别，为制造各向异性材料提供了一种简单思路。液态金属具有导电性好、导热性好等优点，但纯液态金属的力学性质不佳。若将液态金属填充进纤维骨架构成复合材料，则会大大改善液态金属的性能。除此之外，随着温度的变化，液态金属的存在状态也会随之改变，从而改变该种材料的刚度，使之具有温度响应型的刚度调控性能。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于液态金属的纤维骨架材料及其制备方法，以纤维材料作为骨架、以液态金属作为外部填充支持材料；所得材料的刚度可随外界温度的高低不断变化，是一种良好的刚度可控性材料。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于液态金属的纤维骨架材料，包括纤维骨架1和液态金属2，其中，纤维骨架1主要起支撑作用，将外加负载沿纤维走向分散至各处；液态金属2填充于纤维骨架1，起到补充支撑作用，随着存在状态的改变实现刚度调节，当温度低于液态金属2的熔点时，液态金属2以固态存在，材料刚度最大；随着温度的升高，液态金属2逐渐由固态转化为液态，材料刚度逐渐降低，当液态金属2完全以液态存在时，材料的刚度减至最小。所述纤维骨架1一般指由细丝编织成的具有网络结构的纤维，材质主要为高分子聚合物，如碳纤维、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)等中的一种或多种。金属细丝，如铁、铜、钛及银等金属单质及其合金也可用于金属骨架1的构造。纤维骨架1的构型一般采用横截面为四边形、六边形及环形的平面或空隙结构，骨架孔隙大小一般为0.01～1毫米，以期获得最稳定的力学性能。具体参数可根据需要来进行制定。所述纤维骨架1和液态金属2的体积比一般为1:20，这一比例可根据具体材质要求进行调整。所述液态金属2为共晶镓铟合金，由质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成。其它组分的低熔点金属，如汞、铋，及合金，如镓铟锡合金、铋铟锡合金，也可用于该种材料的制备本专利技术还提供了所述基于液态金属的纤维骨架材料的制备方法，包括以下步骤：1)纤维骨架1的构建：根据所需的材料性质进行骨架结构设计，确定纤维骨架1的材质、直径、堆积形状及单元间隔等参数，设计出纤维骨架1的立体构造，制造出基本骨架；2)液态金属2的附着：将冲洗干净的纤维骨架1缓慢浸入足量液态金属2中，静置后提出，重复数次，直至液态金属2填充满整个纤维骨架1；3)冷却成型：将浸满液态金属2的纤维骨架1置于低温环境中，直至液态金属2全部固化。所述步骤1)中，若纤维骨架1为平面网络结构，则采用静电纺丝技术制备，若纤维骨架1为立体网络结构，则采用增材制造技术制备。其他可用于纤维骨架制造的方法如直接编织法等也可用于纤维骨架1的制造。所述步骤2)中，用质量分数为2％的氢氧化钠溶液对所得的纤维骨架1进行冲洗，直至将表面杂质清洗干净。纤维骨架1在液态金属2中每次静置大约1分钟后缓慢提出。所述步骤3)中，低温环境是-4℃，约1小时后实现固化。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用纤维骨架作为液态金属的支撑，可以改进液态金属的力学性质，使之可以应用于更多场合。2、本专利技术中的材料具有其他纤维骨架材料所不具有的良好导电性、导热性。3、本专利技术中的材料能够随温度在固体至液体间连续切换，具有刚度可控性，在柔性机器人等领域有较大的潜在应用。附图说明图1是本专利技术基于液态金属的纤维骨架材料的制备过程示意图。图2是本专利技术基于液态金属的纤维骨架材料在柔性机器人中的应用示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例进一步对本专利技术进行描述。应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在脱离本专利技术技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利技术的保护范围。参考图1，本专利技术刚度可控的液态金属复合纤维材料，主要由纤维骨架1及液态金属2构成。纤维骨架1主要起支撑作用，将外加负载沿纤维走向分散至材料各处；液态金属2填充在纤维骨架1的骨架孔隙内，起到补充支撑作用，随着存在状态的改变可起到刚度调节的作用。其中纤维骨架的材质主要为高分子聚合物或金属，构造方法为静电纺丝技术(平面网络)及增材制造技术(立体网络)，纤维骨架构型一般采用横截面为六边形及环形的平面或空隙结构，骨架孔隙大小一般为0.01～1毫米。纤维骨架材料中纤维骨架与液态金属的体积比一般为1:20，这一比例可根据具体材质要求进行调整。当温度低于液态金属的熔点时，其中的液态金属以固态存在，材料刚度最大；随着温度的升高，液态金属逐渐由固态转化为液态，材料刚度逐渐降低，当液态金属完全以液态存在时，材料的刚度减至最小。以下是具体的实施例。实施例1：基于液态金属的纤维骨架材料采取碳纤维为纤维骨架，镓铟24.5合金为填充材料。碳纤维直径为0.5mm，采用静电纺丝技术编织为平面六边形结构，孔隙六边形单边长为1mm。碳纤维与液态金属占体积比约为1:20。实施例2基于液态金属的纤维骨架材料采取铜丝为纤维骨架，镓铟24.5合金为填充材料。铜纤维直径为0.1mm，采用金属增材制造技术编织为立体四面体结构，空隙四面体边长为0.5mm。铜丝纤维与液态金属占体积比约为1:15。实施例3基于液态金属的纤维骨架材料采取尼龙纤维与铁丝材料为复合纤维骨架，尼龙纤维为径向，铁丝为纬向，镓铟锡合金为填充材料。其中尼龙纤维直径为0.5mm，铁丝直径为0.2mm，采用静电纺丝技术编织为四边形结构，孔隙边长为1mm。纤维骨架与液态金属占体积比约为1:20。实施例4基于液态金属的纤维骨架材料在柔性机器人中的应用：将基于液态金属的纤维骨架材料作为执行器，如图2所示。当外界温度低于液态金属的熔点时，其中液态金属以固体形式存在，具有很强的刚度，足以抓起物体，执行器状态如A。当将物体运送至目的地后，对执行器进行升温，液态金属以液体形式存在，刚度几乎为0，此时物体将会被松开，执行器状态如B。综上，本专利技术提出了一种基于液态金属的纤维骨架材料及其制备方法，主要是以纤维材料编织为纤维骨架、液态金属作为填充材料制成。该材料具有韧度高、强度好、力学性质优良等特点，还可以通过调控温度来对材料本身的刚度进行调节，可以应用在柔性机器人及外骨骼等多种领域。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于液态金属的纤维骨架材料，其特征在于，包括纤维骨架(1)和液态金属(2)，其中，纤维骨架(1)主要起支撑作用，将外加负载沿纤维走向分散至各处；液态金属(2)填充于纤维骨架(1)，起到补充支撑作用，随着存在状态的改变实现刚度调节，当温度低于液态金属(2)的熔点时，液态金属(2)以固态存在，材料刚度最大；随着温度的升高，液态金属(2)逐渐由固态转化为液态，材料刚度逐渐降低，当液态金属(2)完全以液态存在时，材料的刚度减至最小。

【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属的纤维骨架材料，其特征在于，包括纤维骨架(1)和液态金属(2)，其中，纤维骨架(1)主要起支撑作用，将外加负载沿纤维走向分散至各处；液态金属(2)填充于纤维骨架(1)，起到补充支撑作用，随着存在状态的改变实现刚度调节，当温度低于液态金属(2)的熔点时，液态金属(2)以固态存在，材料刚度最大；随着温度的升高，液态金属(2)逐渐由固态转化为液态，材料刚度逐渐降低，当液态金属(2)完全以液态存在时，材料的刚度减至最小。2.根据权利要求1所述基于液态金属的纤维骨架材料，其特征在于，所述纤维骨架(1)为由细丝编织成的具有网络结构的纤维，材质主要为高分子聚合物，或为金属细丝构成的金属骨架；构型采用横截面为六边形及环形的平面或空隙结构，骨架孔隙大小为0.01～1毫米。3.根据权利要求1所述基于液态金属的纤维骨架材料，其特征在于，所述高分子聚合物为碳纤维、涤纶、腈纶或尼龙中的一种或多种，所述金属为铁、铜、钛、银及其合金中的一种或多种。4.根据权利要求1所述基于液态金属的纤维骨架材料，其特征在于，所述纤维骨架(1)和液态金属(2)的体积比为1:20。5.根据权利要求1所述基于液态金属的纤维骨架材料，其特征在于，所述液态金属(2)为共晶镓铟合金，或为汞、铋及其合金，或为镓铟锡合金、铋铟锡合金。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁博，刘静，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11