武汉纺织大学考研，武汉纺织大学考研分数线
传统机械性能固定的材料在应对复杂工作环境或繁琐任务需求时，往往受到材料刚度和自由度的限制，无法兼顾顺应性与坚固性或灵活性与稳定性的要求，这会限制其普适性的应用。受自然界生物主动调节其刚度的启发，研究人员开发了一系列智能变刚度材料，因其能响应环境变化动态调整刚度，进而增加设备集成度和复杂环境适应性,受到学术界和工业界广泛的关注。此类材料的变刚度性能各有千秋，而拓宽刚度调节范围、提升设备简洁性与适应性，一直以来都是业内研究者们的追求。作为一种新兴的前沿功能材料，低熔点合金因其优异的物理化学和力学性能、从0到近1010 Pa的弹性模量变化范围以及可控的局部刚度调节能力，在开发基于低熔点合金变刚度材料的调节策略、调节模式和应用场景等方面展现出广阔的研究前景。
鉴于此，中国科学院理化技术研究所刘静研究员团队与武汉纺织大学吕永钢教授联合评述了新兴的低熔点合金刚度可调先进材料的最新进展，有望指导智能材料、功能实体、可变形机器人等领域的发展。作者首先讨论了材料结构对装置刚度调节性能的影响以及结构与装置刚度的理论模型，并从材料修饰和外场动态调控两个角度系统总结了该先进材料刚度调节的具体策略，同时结合应用，展示其在内外骨骼、软机器人、侵入式医疗等领域的优势，最后提出低熔点合金刚度可调材料现存的挑战和值得探索的方向。该综述以“Low Melting Point Alloys Enabled Stiffness Tunable Advanced Materials”为题发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》。中国科学院理化技术研究所硕士生郝阳泰和清华大学博士后高建业为本文共同第一作者。
【低熔点合金材料特性】
文章首先揭示了低熔点合金用于刚度调节领域的材料优势。低熔点合金指熔点低于300 ℃的一类金属及其合金。其中镓基和铋基低熔点合金具有较低的熔点和热容、较高的导电和导热率、易被表面修饰改性及生物相容性好等特性，使得该类材料在室温附近仅需消耗少量能量即可改变固液相态，进而调整其刚度。此外，镓基合金还是一种良好的磁流变基液，由此拓宽了磁场诱发的刚度调节机理及策略。利用低熔点合金上述的物理化学和力学特性，结合复合结构设计，低熔点合金刚度可调材料可以实现多自由度、自修复、形状记忆功能等各种特定功能。
图1 低熔点合金刚度可调材料的优点及应用范畴
【结构体系】
低熔点合金刚度可调材料通常包含低熔点合金与柔性材料，其系统刚度及刚度调节性能则由选用的材料类型以及两类材料组合的结构共同决定。低熔点合金刚度可调材料的结构可主要分为层状结构、多孔结构和复合结构。针对每种组合结构，该文提炼了其主要的设计思路、对刚度调节性能的影响及未来的应用潜能，并整理了三种结构分别对应的刚度理论模型，有望从材料选择和结构设计方面指导相应智能材料的未来发展。
图2 低熔点合金变刚度材料三种典型的组合结构。层状结构采用分层设计、模块组装的思路，多孔结构继承了超材料新奇独特的性能，复合结构则利用复合效应强强联合。
【刚度调节策略】
低熔点合金独特的表面物理化学特性，如易氧化、高表面张力、高导电/导热率等，赋予了研究人员对其定向改性和主动操控的无限可能。对此，该文介绍了目前学界对低熔点合金刚度可调材料的刚度改性以及动态刚度调节的主要思路:从材料角度对低熔点合金的固有特性进行修改，或施加热场、电磁场等外场,对低熔点合金的刚度予以动态调节。该文也梳理了这两种思路下多样的刚度调节方法及调节效果，以指导未来的刚度调节策略。
首先从基础的材料科学角度出发，该文点明了改变低熔点合金固有性能的主流策略，包括低熔点合金的氧化、金属间化合物的形成和金属/非金属颗粒的粘附，并分析了不同处理策略对材料的物理化学性能特别是流变性和表面刚度的作用，以及材料制备阶段的改性行为对后续复合材料受外场动态刚度调节性能的影响。
图3 通过对低熔点合金的改性可调整其流变性及表面或整体刚度
其次，对受外场控制的刚度动态调节，该文总结了目前已知能动态调节低熔点合金复合材料刚度的四种主要外场和刺激，即热场、电场、磁场及机械刺激。除了基于磁场的调节是依赖于液态金属基磁流变液在磁场中发生的磁流变效应外，上述受外场控制的刚度动态调节大部分基于低熔点合金的可逆相变，其中受机械刺激诱发的变刚度方法则利用了处于热力学亚稳态的过冷液态金属能量不稳定，易受包括机械刺激在内的扰动而成核结晶这一特性。该文阐明并深入分析了这些外场动态调整刚度的机理和经典理论，并从机理出发，结合典型工作对比分析了不同外场下、同一外场不同工况下刺激手段对复合材料变刚度主要性能，如刚度变化范围、刚度转变速度、难易度及能耗等的影响。
图4 通过热场和电场动态调节低熔点合金刚度可调材料刚度的机理及效果
图5 通过磁场和机械刺激动态调节低熔点合金刚度可调材料刚度的机理及效果
图6 不同外场下低熔点合金刚度可调材料的最大弹性模量与模量增益的关系
【多样的刚度调节模式】
除了上述调节刚度的方法，实践中往往会结合这些方法实现一些复杂多样化的刚度调节模式。例如能随心所欲改变自由度以降低系统复杂性，提高刚度调节效率的局部刚度调节模式,以及能在刚柔二元状态间精准插入更细微刚度梯度的渐进或连续的刚度调节模式。针对这些调节模式，该文也梳理分析了低熔点合金刚度可调材料局部刚度调节、渐进刚度调节及均匀相变的实现原理及应用潜力，以指导开发更精细的调控策略和更具应用价值的调节模式。
图7 局部刚度调节的策略及性能
【应用领域】
低熔点合金刚度可调材料具有优异且智能的动态刚度调节能力，其生物相容性好（对大部分材料），刚度转变可逆且可重复，刚度调节增益大，拥有以动态多自由度为代表的多种刚度调节模式等，在科研界和工业界的众多领域都具有应用价值。为此，该文系统归纳了该先进材料在一些典型领域，包括内外骨骼与关节、机械性能可调电子设备、微侵入式医疗设备、航空航天工程及刚柔相济可变形机器人等的优势及应用情况。
图8 低熔点合金刚度可调材料在内骨骼、外骨骼、关节、机械性能可调电子设备和微创手术中的典型应用
图9 低熔点合金刚度可调材料在航空航天工程和刚柔相济软机器人等领域的典型应用
【挑战与展望】
低熔点合金在变刚度领域已展现出显著的优势，通过特殊的结构设计将其与柔性材料结合，制备的低熔点合金刚度可调材料能兼具金属与柔性材料的性质，在多种形式的外场刺激下，可动态地按需快速、精确、可逆地呈现出顺应性或坚固性，在许多领域都展现出欣欣向荣的应用前景。目前，低熔点合金刚度可调材料仍面临如下挑战值得未来进一步突破：
（1）在材料选择上，目前的工作多局限在少数几种熔点离散的无毒共晶合金上。为进一步优化其性能，寻找安全、具有连续熔点以及轻量化的低熔点合金具有重要意义。
（2）复杂结构和器件的个性化精细设计和制造是未来刚度可调材料结构发展的一个重要方向。通过计算仿真辅助结构系统优化，同时借助新型高精度的打印制造技术也是有效的策略之一。
（3）进一步探索低熔点合金的非均匀相态转变的机理，以解释低熔点合金相变过程中温度、电阻和相界面分布之间的关系，建立相变过程中输入温度与刚度的理论或经验模型。
（4）亟需发展一种轻便高效的快速冷却策略，以解决低熔点合金特别是过冷的镓硬化过程中能耗高、响应时间长的问题，从而加速刚度的转变。
（5）探索声、光和化学等其他刺激信号与合金刚度的关系，或许将拓宽该先进材料的调节策略及应用。
（6）利用高时空分辨率的检测技术提高柔性材料变刚度装置的反馈调节精度，从而促进刚柔相济可变形机器人领域的发展。
（7）探究低熔点合金及封装材料的化学稳定性，以应对恶劣环境（高湿度、强氧化和微重力等）对刚度调节性能的影响。
致谢：该工作得到国家自然科学基金(重点基金No. 91748206，No. 12072054)和中国科学院前沿项目的资助。
文献来源：
Hao, Y. T., Gao, J. Y., Lv, Y. G.*, Liu, J.*, Low Melting Point Alloys Enabled Stiffness Tunable Advanced Materials. Adv. Funct. Mater. 2022, 2201942.
https://doi.org/10.1002/adfm.202201942
刘静研究员课题组主页：
http://www.liquidmetallab.com/
吕永钢教授课题组主页：
http://www.yglvbme.com/
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202201942
来源：高分子科学前沿
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