CN110828656A - 一种基于磁响应的快速可逆形状记忆方法 - Google Patents

一种基于磁响应的快速可逆形状记忆方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，属于功能材料技术领域，该方法在聚合物中添加硬磁微粒，使样品变形至记忆形状后放入磁场中磁化，从而在样品中引入的程序化磁畴已记录形状信息，再次施加磁场刺激时，由磁场诱导的机械载荷使样品立即变形至记忆形状，刺激消失后样品随即自动恢复初始形状，实现快速可逆形状记忆功能；本发明通过在样品中引入程序化磁畴记录形状信息，由磁场诱导的机械载荷使样品变形至记忆形状，方法简单可行。该方法为形状记忆功能材料设计和应用提供了一种新的快速的实现方式，本发明必将推动新型功能材料的快速发展。

Description

一种基于磁响应的快速可逆形状记忆方法
技术领域
本发明涉及功能材料技术领域，具体涉及一种基于磁响应的快速可逆形状记忆方法。
背景技术
形状记忆材料作为一种刺激响应型材料，具有在一定刺激下自发改变形状的能力，广泛应用于传感器、驱动器等功能器件和智能结构。这种刺激通常包括温度、光照、电场、磁场、微波、pH值、溶剂种类等。形状记忆聚合物具有一定的临时形状，对临时形状下的聚合物施加某种刺激，可使材料从临时形状自发恢复成记忆形状，即形状记忆过程；当刺激消失后，记忆形状下的聚合物又恢复至临时形状，即逆过程。
其中，热致形状记忆聚合物最为普遍，其分为直接加热型和间接加热型。对于刺激响应速度慢是现有形状记忆聚合物面临的一大挑战，且部分激励方式需要刺激与样品直接接触。现有的磁控形状记忆聚合物都是通过交变的磁场间接产热，其本质也属于加热型。
因此，研究可实现远程控制、响应迅速的形状记忆方法具有非常重要的科研和工程意义。迄今为止，基于磁响应直接激励的形状记忆机理和方法研究仍为空白。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提出一种基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，该方法在聚合物中添加硬磁微粒，使样品变形至记忆形状后放入磁场中磁化，从而在样品中引入的程序化磁畴已记录形状信息，再次施加磁场刺激时，由磁场诱导的机械载荷使样品立即变形至记忆形状，刺激消失后样品随即自动恢复初始形状，实现快速可逆形状记忆功能；本发明通过在样品中引入程序化磁畴记录形状信息，由磁场诱导的机械载荷使样品变形至记忆形状，方法简单可行。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，包括以下步骤：
步骤一，根据需要的初始形状设计相应外形的铸模；
步骤二，将弹性胶体材料与硬磁微粒按一定比例混合，搅拌均匀，倒入铸模使样品获得给定的初始形状，在40℃-150℃温度范围加热0.5h-4h至固化；
步骤三，按照所需的记忆形状设计并制作出对应的一套相互配合的模具；
步骤四，将固化好的样品夹在模具中间，模具相互配合使样品变形至设计的记忆形状；
步骤五，保持样品被模具约束状态，放置入均匀磁场中进行磁化；
步骤六，磁化完成之后关闭磁场取出样品，卸掉模具，样品恢复初始形状，但样品内部产生的磁畴分布已将记忆形状记录下来；
步骤七，将样品再次放入磁场中，样品可自动及时地恢复到记忆形状；
步骤八，磁场关闭后，样品又实时恢复到初始形状。
进一步，步骤二中，所述弹性胶体材料为铂催化硅橡胶Ecoflex或聚二甲基硅氧烷PDMS等硅橡胶，所述硬磁颗粒包括但不限于铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、钡铁氧体或锶铁氧体等永磁铁氧体、稀土钴永磁材料或钕铁硼永磁材料，所述混合配比按需求设定硬磁颗粒质量分数在10％-70％。。
进一步，步骤二中，固化的温度和时间可根据不同弹性胶体材料进行调整。
进一步，步骤三中，所述模具可通过3D打印或铸造等手段制作，所述模具形状可根据所需的记忆形状任意设计。
进一步，步骤五中，所述放置方向可根据需要任意调整，但必须保证磁场方向不能完全平行于未发生变形方向。
进一步，步骤五和步骤七中，所述磁场为由一对亥姆霍兹线圈通电或一对永磁铁产生的均匀磁场。
进一步，步骤七中所述激励磁场大小小于步骤五中所述磁化磁场大小一到两个数量级。
进一步，步骤七中所述样品在磁场中恢复至记忆形状所用时间与步骤八中所述样品在磁场关闭后恢复到初始形状所用时间均很短，立即完成。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供的基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，填补了基于磁响应直接激励的形状记忆机理和方法方面的空白，通过磁场进行无线操控，在磁场诱导的机械载荷作用下能迅速地实现可逆的形状记忆效果，有效解决现有技术响应速度慢、需要与样品接触的问题，为基于形状记忆材料的新型智能结构设计和应用提供理论依据和实践指导，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于磁响应的快速可逆形状记忆方法流程图。
图2是本发明实施例提供的将材料混合倒入一定外形铸模中获得初始形状的示意图。
图3是本发明实施例提供的将材料加热固化后样品的初始形状示意图。
图4是本发明实施例提供的按需设计的任意形状的相互配合的模具示意图。
图5是本发明实施例提供的将固化后的样品夹在模具中间变形至设计形状的示意图。
图6是本发明实施例提供的样品放入均匀磁场中磁化的示意图。
图7是本发明实施例提供的磁化完成后样品恢复原状的示意图。
图8是本发明实施例提供的样品在磁场激励下自动恢复至记忆形状的示意图。
图9是本发明实施例提供的样品在磁场消失后自动恢复至初始形状的示意图。
图10为样品变形前后示意图，其中图10(a)为变形前的形状，图10(b)为任意变形后的形状。
图11为样品在磁场刺激下变形至记忆形状的模拟结果，其中图11(a)、图11(b)、图11(c)和图11(d)分别为记忆形状为圆、3/4圆、半圆和单周期正弦曲线的模拟结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的复杂磁畴编程的快速实现方法包括以下步骤：
S101，根据需要的初始形状设计相应外形为长方形的铸模。将弹性胶体材料铂催化硅橡胶Ecoflex 00-20与钕铁硼(NdFeB)磁性微粒按1:1质量比比混合，搅拌均匀，倒入铸模使样品获得给定的初始形状(如图2所示)，在80℃下保温1小时至固化后取出(如图3所示)。
S102，按照所需的记忆形状设计并用高精度3D打印机打印出对应的一套相互配合的模具(如图4所示)。
S103，将固化后的样品夹在模具中间，模具相互配合使样品变形至设计的记忆形状(如图5所示)。
S104，保持样品被模具约束状态，放置入大小为1T的均匀磁场中进行磁化，放置方向根据需要任意调整，但必须保证磁场方向不能完全平行于未发生变形方向(如图6所示)。
S105，磁化完成之后关闭磁场取出样品，卸掉模具，样品恢复初始形状(如图7所示)，但样品内部产生的磁畴分布已将记忆形状记录下来。
S106，将样品再次放入磁场中激励，该磁场的激励磁场大小为100mT，远小于S104中所述磁化磁场大小，样品可自动及时地恢复到记忆形状(如图8所示)。
S107，磁场关闭后，样品又实时恢复到初始形状(如图9所示)。
证明部分(具体实施例/实验/仿真/能够证明本发明创造性的正面实验数据等)
为便于说明问题，本例假设样品仅在X1-X3平面有变形，在X2方向未发生变形(实际上X1X2X3任意方向均可发生变形)，图10(a)为变形前的形状，图10(b)为任意变形后的形状，该变形对应的应变梯度可表示为：
Figure BDA0002258735660000061
其中f(X1)表示样品中性层的任意变形，是关于自变量X1的函数表达式；f′是f(X1)对变量X1的一阶导数；f″是f(X1)对变量X1的二阶导数；g(X1)为中性层内同一物质点在变形前后的横坐标之差，其表达式为g(X1)＝x1-X1；g′是g(X1)对变量X1的一阶导数；g″是g(X1)对变量X1的二阶导数；ζ为垂直于中性面方向的曲线坐标；根据不可压缩假设，可以得到
Figure BDA0002258735660000062
表达式为
Figure BDA0002258735660000063
假设磁场与X3正方向夹角为β，则磁化磁场表达式为Bmagnetizing＝(sinβ,0,cosβ)·|Bmagnetizing|，则沿着磁化磁场方向，样品内剩磁可以表示为Br＝(sinβ,0,cosβ)·|B|，根据变形前后样品内磁畴分布表达式
Figure BDA0002258735660000064
可求出恢复形状后样品内的磁畴分布。在激励磁场Bapplied＝(sinβ,0,cosβ)·|Bapplied|作用下，可求出磁场诱导的载荷。
X1正方向面上边界载荷三个分量可表示为：
Figure BDA0002258735660000065
Figure BDA0002258735660000066
Figure BDA0002258735660000071
同样地，X3正方向面上边界载荷三个分量可表示为：
Figure BDA0002258735660000072
Figure BDA0002258735660000073
Figure BDA0002258735660000074
X2方向面上无边界载荷。正向与反向面上边界载荷大小相等方向相反。
体载荷可表示为：
Figure BDA0002258735660000075
其中
Figure BDA0002258735660000076
分别为外加磁场Bapplied的三个分量，
Figure BDA0002258735660000077
Figure BDA0002258735660000078
分别为剩磁
Figure BDA0002258735660000079
的三个分量，μ0为真空磁导率。将上述磁场诱导的机械载荷带入有限元软件中，可计算得到在载荷作用下样品变形至记忆形状的模拟结果。图11中(a)、(b)、(c)、(d)分别为记忆形状为圆、3/4圆、半圆以及单周期正弦曲线的模拟结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，其特征在于，所述基于磁响应的快速可逆形状记忆方法包括以下步骤：
步骤一，根据需要的初始形状设计相应外形的铸模；
步骤二，将弹性胶体材料与硬磁微粒按一定比例混合，搅拌均匀，倒入铸模使样品获得给定的初始形状，在40℃-150℃温度范围加热0.5h-4h至固化；
步骤三，按照所需的记忆形状设计并制作出对应的一套相互配合的模具；
步骤四，将固化后的样品夹在模具中间，模具相互配合使样品变形至设计的记忆形状；
步骤五，保持样品被模具约束状态，放置入均匀磁场中进行磁化；
步骤六，磁化完成之后关闭磁场取出样品，卸掉模具，样品恢复初始形状，但样品内部产生的磁畴分布已将记忆形状记录下来；
步骤七，将样品再次放入磁场中激励，样品自动及时地恢复到记忆形状；
步骤八，磁场关闭后，样品又实时恢复到初始形状。
2.如权利要求1所述的基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，其特征在于，步骤二中，所述弹性胶体材料为铂催化硅橡胶Ecoflex或聚二甲基硅氧烷PDMS，所述硬磁颗粒包括铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、钡铁氧体或锶铁氧体等永磁铁氧体、稀土钴永磁材料或钕铁硼永磁材料，所述混合配比按需求设定硬磁颗粒质量分数在10％-70％。
3.如权利要求1所述的基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，其特征在于，步骤二中，保温的温度和时间根据不同弹性胶体材料进行调整。
4.如权利要求1所述的基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，其特征在，步骤三中，所述模具通过3D打印或铸造手段制作，所述模具形状根据所需的记忆形状任意设计。
5.如权利要求1所述的基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，其特征在，步骤五中，所述放置方向根据需要任意调整，但必须保证磁场方向不能完全平行于未发生变形方向。
6.如权利要求1所述的基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，其特征在于，步骤五和步骤七中，所述磁场为由一对亥姆霍兹线圈通电或一对永磁铁产生的均匀磁场。
7.如权利要求1所述的基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，其特征在于，步骤七中所述激励磁场大小小于步骤五中所述磁化磁场大小一到两个数量级。
8.如权利要求1所述的基于磁响应的快速可逆形状记忆方法，其特征在于，步骤七中所述样品在磁场中恢复至记忆形状所用时间与步骤八中所述样品在磁场关闭后恢复到初始形状所用时间均很短，立即完成。
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