一种基于温度变化的变刚度复合材料及其制备方法

本发明涉及材料领域，特别涉及一种基于温度变化的变刚度复合材料及其制备方法。

技术背景

软机器人具有高度的灵活性和对复杂环境的适应性的优势。但是，组成材料的低刚度特性使软机器人系统无法胜任要求相对较高负载能力的任务。面对柔性软体机器人柔性有余，刚性不足的特点，为柔性机构增加刚度调节功能的重要性也日益凸显，而刚度调节技术一直是柔性软体机器人研究领域的热点与难点。现有的刚度调节技术可分为机械变刚度技术和材料变刚度技术两种。机械变刚度技术主要是利用弹簧、滑块等构件，通过调整弹性元件作用力的方式实现刚度调节，但是结构较为复杂。材料变刚度技术主要是通过改变温度实现单一材料体系的玻璃化转变，调节材料整体刚度，但只能实现较小范围的刚度变化。

复合材料是一种新型材料体系，得益于多种组分材料的综合性能。组分的差别决定了复合材料的性能差异，选用特定的基质材料和填充材料可定向调整材料性能。

因此，从复合材料设计出发，通过物理共混的方式将可相变合金分散入热固性高分子材料中，开发出一种新型的基于温度变化的变刚度复合材料及其制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现阶段变刚度技术存在的问题，提供了一种基于温度变化的变刚度复合材料及其制备方法。

一种基于温度变化的变刚度复合材料，依据不同的材料配比将可相变合金通过物理共混的方式分散入热固性基体材料，所述的可相变合金在复合材料中的含量为10vol％-50vol％，所述的热固性基体材料在复合材料中的含量为50vol％-90vol％。

所述的可相变合金为铋铟锡合金，熔点60℃-66℃，纯度为99％-99.9％，所述的热固性基体材料为固化易交联生成网状结构的高分子环氧树脂材料。

所述的高分子环氧树脂材料，为环氧树脂单体和环氧固化剂的混合物，环氧树脂单体为液体双酚a环氧树脂，其型号为epon828，纯度为99％-99.7％，环氧固化剂为聚酰胺类固化剂，其型号为epikure3164，纯度为99％-99.5％。

本发明提供的一种基于温度变化的变刚度材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按环氧树脂单体：聚酰胺类环氧固化剂的质量比为2：1称取epon828环氧树脂单体及epikure3164聚酰胺类环氧固化剂，搅拌5-8分钟使其充分混合，随后放入20℃的真空干燥箱中15-20分钟，除去材料中混入的空气；

步骤二、采用70℃-90℃水浴加热的方式使固态铋铟锡合金转变为熔融状态，向熔融态合金中加入环氧树脂单体及环氧固化剂混合物，搅拌5-10分钟使其充分混合，搅拌过程在70℃-90℃热水浴中进行；

步骤三、将步骤二所得的混合均匀的液态复合材料在100℃-150℃热气流下静置5-8分钟，直至复合材料变为凝胶状态，然后将复合材料浇筑到硅胶模具中，将浇筑好的硅胶模具置于50-℃55℃的干燥箱中12h-16h以进行最终固化；

步骤四、步骤三浇筑的复合材料完全固化后，脱模，取出制备好的变刚度复合材料。

本发明的有益效果：

本发明通过物理共混的方式将可相变合金分散入热固性树脂材料，实现复合材料的大范围的刚度调节，拉伸模量变化范围最大为19.97mpa-1013.88mpa，压缩模量变化范围最大为8.99mpa-605.03mpa，通过调控铋铟锡合金的含量，可以改变材料的刚度变化范围。通过模具成型，成型效率高、制备成本低，模筑的变刚度材料可以应用于多种场合，扩展了应用范围。

附图说明

图1是变刚度复合材料制备示意图；

图2是变刚度复合材料微观结构示意图；

图3是不同合金含量的复合材料随温度变化的拉伸模量；

图4是不同合金含量的复合材料随温度变化的压缩模量。

具体实施方式：

实施例1：

请参阅如图1所示，制备合金含量10vol％的变刚度复合材料

环氧树脂单体，环氧固化剂，铋铟锡合金之间的密度比为1.16g/cm³:0.98g/cm³:7.88g/cm³。铋铟锡合金在复合材料中的含量为10vol％，环氧树脂在复合材料中的含量为90vol％。按环氧树脂单体：聚酰胺类环氧固化剂的质量比为2:1称取epon828环氧树脂单体及epikure3164聚酰胺类环氧固化剂，搅拌5分钟使其充分混合，随后放入20℃的真空干燥箱中15-20分钟，除去材料中混入的空气。按环氧树脂单体：聚酰胺类环氧固化剂的质量比为2:1称取环氧树脂单体及环氧固化剂，然后搅拌10分钟，随后将环氧树脂单体及环氧固化剂混合物放入20℃的真空干燥箱中20分钟。采用水浴加热方式将固态铋铟锡合金熔化，加入环氧树脂单体及环氧固化剂混合物，搅拌10分钟，搅拌过程在70℃热水浴中进行。将材料在100℃气流下放置直至材料达到凝胶状态，然后浇筑硅胶模具中，置于55℃的恒温箱中12h以进行最终固化。复合材料完全固化后，脱模，取出制备好的变刚度复合材料。

实施例2：

请参阅如图1所示，制备合金含量30vol％的变刚度复合材料

环氧树脂单体，环氧固化剂，铋铟锡合金之间的密度比为1.16g/cm³:0.98g/cm³:7.88g/cm³。铋铟锡合金在复合材料中的含量为30vol％，环氧树脂在复合材料中的含量为70vol％。按环氧树脂单体：聚酰胺类环氧固化剂的质量比为2:1称取epon828环氧树脂单体及epikure3164聚酰胺类环氧固化剂，然后搅拌5分钟，随后将环氧树脂单体及环氧固化剂混合物放入20℃的真空干燥箱中20分钟。采用水浴加热方式将固态铋铟锡合金熔化，加入环氧树脂单体及环氧固化剂混合物，搅拌10分钟，搅拌过程在70℃热水浴中进行。将材料在100℃气流下放置直至材料达到凝胶状态，然后浇筑到硅胶模具中，置于55℃的恒温箱中12h以进行最终固化。复合材料完全固化后，脱模，取出制备好的变刚度复合材料。

实施例3：

请参阅如图1所示，制备合金含量50vol％的变刚度复合材料

环氧树脂单体，环氧固化剂，铋铟锡合金之间的密度比为1.16g/cm³:0.98g/cm³:7.88g/cm³。铋铟锡合金在复合材料中的含量为50vol％，环氧树脂在复合材料中的含量为50vol％。按环氧树脂单体：聚酰胺类环氧固化剂的质量比为2:1称取epon828环氧树脂单体及epikure3164聚酰胺类环氧固化剂，然后搅拌5分钟，随后将环氧树脂单体及环氧固化剂混合物放入20℃的真空干燥箱中20分钟。采用水浴加热方式将固态铋铟锡合金熔化，加入环氧树脂单体及环氧固化剂混合物，搅拌10分钟，搅拌过程在70℃热水浴中进行。将材料在100℃气流下放置直至材料达到凝胶状态，然后浇筑到硅胶模具中，置于55℃的恒温箱中12h以进行最终固化。复合材料完全固化后，脱模，取出制备好的变刚度复合材料。