向量刺激响应磁流变纤维材料

向量刺激响应磁流变纤维材料

能够响应外部刺激实现可逆驱动1,2或改变机械特性的纤维材料，在智能纺织品5、软体机器人6和可穿戴技术7领域展现出巨大潜力。尽管在开发响应电压8、温度6、湿度2和离子浓度9等标量刺激的纤维材料方面已取得显著进展，但这些技术往往缺乏方向可控性和功能多样性10–14。本文报道了一类基于矢量刺激响应的磁流变纤维材料，其设计灵感源自将纺织品结构力学与软磁材料磁学特性相结合的工程模型。我们成功大规模制备出具有优化机械与磁学性能的软磁聚合物复合纤维，并将其组装成同心螺旋纱线。这些纱线展现出由磁场方向和强度调控的显著弯曲与刚性特性，可实现具有多种驱动与刚性功能的定制化织物。基于该技术，我们开发出创新的智能纺织品，包括用于个人湿度管理的主动通风织物、可适配不同形状与硬度物体的集成式抓握器，以及能模拟织物硬度与光滑度的紧凑型远程可控触觉手套。本研究为刺激响应性纤维材料提供了深入见解，将其从标量控制提升至精密向量控制，预示着智能纺织创新时代的到来。

文章核心创新点：

提出响应“矢量刺激”的纤维材料设计新范式：突破传统纤维材料仅响应标量刺激的局限，开创响应矢量磁场设计理念，实现材料形变与性能方向性、可编程精密控制，是从“一维”到“三维”的跨越。

实现“结构力学”与“软磁材料”仿生协同设计：灵感源于纺织品结构力学与软磁材料磁学特性结合的工程模型；成功制备软磁聚合物复合纤维，组装成“同心螺旋纱线”结构，优化力学与磁学性能传递耦合。

赋予纤维材料“驱动”与“刚性调节”双重可定制功能：同一材料体系下，磁场控制可实现主动弯曲（驱动功能）和刚性/模量变化（刚性调节功能）；功能可由磁场方向和强度调控，能定制织物动态行为。

展示多场景智能纺织品应用：主动通风织物用于个人热湿管理；集成式自适应抓握器适配不同物体，展现软体机器人领域潜力；紧凑型远程触觉手套模拟织物特性，提供全新触觉反馈方案，验证技术实用潜力。

总结而言，本研究核心创新是将纤维材料响应模式从“标量”升级为“矢量”，通过协同设计创造可被磁场精密控制“运动”与“软硬”的智能纤维，拓展智能纺织品可能性至自适应驱动、交互与触觉再现，开启多功能、精密控制发展的“创新时代”。

研究背景

磁流变（MR）材料是智能材料，流变与力学性能可在外加磁场下可逆转变，通常由软磁颗粒分散于液体或弹性体载体构成。外磁场下，磁化颗粒通过偶极-偶极相互作用形成纤维状结构，即磁流变效应，可提升材料黏度与刚度。

各向异性磁流变弹性体有预设纤维状软磁结构，能定向响应磁场，但弹性体基体刚性限制性能，需高强度磁场驱动，对人体有安全隐患。

近年来，含硬磁颗粒的磁性纤维在多领域有潜力，但用作纺织驱动器面临挑战：纤维间磁相互作用、纺织制造精度低、织物非键合层级结构，导致磁化纤维难按预设取向整合到织物；磁化设备空间限制，织物磁化方法有局限；驱动时已磁化部件间磁相互作用阻碍织物形变。

本研究提出，磁流变纤维材料融合各向异性磁流变材料矢量刺激响应特性与纺织品特性，可创制变革性材料。软磁型磁流变纤维无需预先磁化，规避硬磁纤维局限。无键合纤维组装策略制备的磁各向异性无基体磁流变纤维材料，能实现高性能驱动与硬化。纺织品可拉伸性与可编程性利于实现二维到三维转化。

高性能磁性纤维材料研发面临两大挑战：一是纤维纺丝技术矛盾，高填料含量与细纤维直径难兼顾，损害功能与力学性能，不同纺丝工艺各有局限，使磁流变纤维难兼具高磁化率与柔韧性；二是结构-性能关系认知缺失，对刺激响应型纤维材料多尺度结构-性能关系理解不足，导致纤维组装成层级纺织结构后性能衰减、功能不足。

研究流程

磁流变纱线制备

选低密度聚乙烯（LDPE）为柔性基体，因其分子链结构可实现高填料负载，且宽分子量分布与剪切稀化特性赋予材料良好流动性。选羰基铁粉（CIP）为磁性填料，因其磁化率高、剩磁低、成本低且具抗氧化性。将表面包覆二氧化硅的羰基铁粉分散于低密度聚乙烯中，用双螺杆挤出机熔融共混，通过调控羰基铁粉添加量，制备四种不同填料含量的复合材料。低密度聚乙烯分子与羰基铁粉间的界面相互作用，使羰基铁粉在基体中均匀分散，选填料含量70wt%的复合材料进行纺丝。将复合材料加入熔融纺丝机料筒，经特定温度设置、通氮气加压等操作，制备出不同直径的磁流变纤维。取7根纤维加捻制成纱线，热定型消除残余应力。优化磁流变纱线结构聚焦于归一化截面积惯性矩比。

磁流变织物制备

机织磁流变织物：用手摇织布机，以磁流变纱线为纬纱、缝纫线为经纱，正交交织织造，选不同浮长参数，得三种组织结构织物，探究浮长与堆砌密度对空间自由度影响。

割绒磁流变织物：用戳戳乐工具将磁流变纱线穿刺植入平纹基布，制备两种纱线密度坯布，涂覆硅橡胶固定纱线、切割端口并固化。

摩擦系数测试

截取初生纤维形成纤维阵列固定于玻璃片，制备两个相同试样，加载砝码提供法向力，设定直线运动平台速度，记录最大静摩擦力计算静摩擦系数，用相同方法测磁流变纤维间静摩擦系数。

差示扫描量热分析

用差示扫描量热仪在氮气气氛下测试，称取样品在特定温度区间加热，记录吸热曲线，积分热流数据计算熔融焓和结晶度。

磁流变纤维热收缩率测试

截取磁流变纤维在无约束条件下置于100℃环境处理，依据公式计算热收缩率，反映内部聚合物分子链拉伸取向程度。

拉伸性能测试

制备不同试样，用万能材料试验机以特定速率进行拉伸断裂测试。

结构表征

用扫描电子显微镜进行形貌观察与元素分析，用体视显微镜拍摄光学照片观察微观结构，用纳米计算机断层扫描系统分析纤维内部羰基铁粉分布状态，通过三维重构和ImageJ软件分析羰基铁粉定向分布状态。

磁化性能表征

用物理性能测试系统在室温下对不同样品进行磁化性能测试，对磁流变纱线进行不同方向测试。

振荡剪切流变性能测试

用流变仪配备平行板夹具，对样品进行动态流变性能表征，压制圆盘状试样在特定条件下进行频率扫描测试。

动态力学性能分析

用动态力学分析仪开展测试，选取不同试样在特定温度区间加热，记录损耗因子曲线。

弯曲驱动性能表征

将磁流变纱线顶端固定垂直悬臂，置于电磁铁两极间隙，调节电流与极间距产生可控磁场，设定磁场方向与纱线轴线夹角，拍摄弯曲形变过程量化弯曲程度，测试不同长度纱线性能。

测定磁流变纱线输出力矩，沿悬臂纱线自由段贴薄纸板条，设定磁场强度驱动弯曲，记录阻挡力计算力矩密度。用类似方法测定机织磁流变织物单位质量输出力矩。

硬化性能表征

用三点弯曲测试法表征磁流变纱线硬化性能，固定下支座，连接上支座至试验机，设置运行模式，用磁铁产生外加磁场，测试不同规格纱线。

用类似方法测试机织磁流变织物硬化性能，改用测力传感器记录数据。

弯曲耐久性测试

用连续弯曲实验装置评估磁流变纱线弯曲耐久性，截取纱线样品固定，施加预张力，安装导轮，设定试验机程序驱动导轮带动纱线循环运动。

蠕变性能测试

选取平纹织物两端固定，施加均匀压力，观察加载后织物初始挠度及蠕变现象，施加磁场观察磁性硬化后情况。

选取割绒织物在纱线层表面加载，观察织物厚度变化，施加垂直磁场观察情况。

有限元分析

用COMSOLMultiphysics软件磁-力学耦合模块构建三维模型，放置长方体磁铁产生均匀磁场，建模周围空气域，调用材料属性并输入磁流变纱线参数。

线性驱动器的制备与测试

采用径向对称机织磁流变织物作铰链结构，将四个平纹磁流变织物铰链按四连杆构型组装成线性织物驱动器。测定驱动器行程与输出力，将其放置于板上施加垂直磁场，设定试验机压缩驱动器并记录作用力。

透气织物演示实验

将线性驱动器夹在两织物中间缝合，制备主动透气织物。依据英国标准测定水蒸气透过率，将织物固定于玻璃容器口部，设定磁场驱动模式，计算水蒸气透过率。

结果解析

具有向量刺激响应功能的纤维材料示意图

Mr纤维和纱线的设计与制造

Mr纱线的弯曲和硬化性能

编织与剪切毛织物的结构与性能

基于MrFabric的智能纺织品演示

研究结论

综上所述，我们通过整合纺织品结构力学与软磁材料的磁学特性，开发出多层级纤维驱动结构的工程化指南。采用可扩展的制备工艺，我们成功制备出具有不同层级结构的矢量刺激响应磁性纤维材料。所得千米级连续磁性纤维直径达57μm，颗粒负载量为70wt%，在300mT的弱磁场（安全范围）作用下展现出优异的定向排列性能。由这些纤维制成的磁性纱线表现出6.5N·m·kg⁻¹的超高弯矩密度，其刚度调节范围较其他刺激响应材料扩大30倍。此外，我们还利用该纱线制备了编织与剪绒磁性织物。这些磁性织物展现出包括弯曲、剪切、直线运动在内的多样化驱动能力，以及在弯曲和压缩下的增强性能。最后，我们通过主动通风织物、集成式自适应抓握装置和无束缚全织物触觉手套等演示，展示了这类智能纺织品的多功能性。本研究不仅推动了刺激响应材料领域的发展，更为智能纺织品在日常生活和各行业的实际应用开辟了新可能。

技术来源：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09706-4