基于磁扭矩法的微纤维弯曲刚度表征技术研究

本研究针对微米级纤维弯曲刚度测量难题，创新性地开发了磁扭矩驱动技术，通过电化学沉积制备镍钨复合磁探针，在均匀磁场作用下实现微纤维非接触式弯曲形变测量。实验证实该方法可精准测定10-12 N·m2量级的flexural rigidity（弯曲刚度），为生物微管和人工微纤维力学研究提供了新工具。

　　

在微观尺度材料力学研究领域，微米级纤维的弯曲刚度（flexural rigidity）测量长期面临技术瓶颈。传统三点弯曲法和悬臂梁法在操作毫米级样品时尚可胜任，但当研究对象缩小至微米尺度时，不仅难以施加精确载荷，微纤维的易损性和布朗运动干扰更使测量误差剧增。昆虫触角、植物刚毛等天然微纤维，以及Kevlar等合成微纤维的力学性能研究，亟需一种高精度、非接触的测量方法。

针对这一挑战，研究人员在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表创新成果。研究团队开发了基于磁扭矩原理的测量系统：通过电化学沉积（ECD）制备具有钨核镍壳结构的磁性微探针，将其粘附于微纤维末端后，置于均匀磁场中产生可控扭矩。当磁场方向垂直于纤维轴时，探针磁矩与磁场相互作用形成扭矩，使纤维弯曲成圆弧形，其曲率半径与弯曲刚度呈定量关系。

关键技术包括：1）三电极体系电化学沉积制备核壳磁探针；2）交替梯度磁强计（AGM）测定磁滞回线；3）光学追踪系统记录微米级位移；4）基于Euler梁理论建立磁扭矩-弯曲刚度数学模型。

研究结果部分：

1. 磁扭矩驱动模型
   建立磁场强度B、磁矩m与纤维末端位移Δ的定量关系：Δ = mBL²/2EI，其中L为纤维长度，EI为弯曲刚度。理论计算表明，该方法可检测低至10^-12 N·m²的刚度值。

2. 镍钨探针制备
   采用Watt溶液（NiSO₄·6H₂O+NiCl₂·6H₂O+H₃BO₃）在钨丝上沉积镍层，通过分阶段升压策略避免氢气泡缺陷。SEM显示镀层粗糙度仅0.5 μm，EDX证实过渡区镍分布均匀。

3. 磁性能表征
   AGM测试显示探针矫顽力达5.5 kA/m，剩磁强度与钨核半径呈线性相关（斜率3.1 emu/g·μm^-1），满足10^-6 emu量级的磁矩需求。

4. 实际应用验证
   对直径12.5 μm的Kevlar纤维测量获得EI=1.7×10^-10 N·m²，与理论值误差<8%，证实该方法精度优于传统重力悬臂法。

该研究突破微纳尺度力学测量的技术瓶颈，其创新性体现在：1）利用均匀磁场避免梯度场定位难题；2）核壳探针设计兼顾机械强度与磁响应；3）适用于生物样本的温和测量条件。未来可拓展至昆虫机械感受器、细胞骨架微管等生物力学研究，为仿生材料开发和微机电系统（MEMS）设计提供关键技术支撑。