不同顆粒含量磁流變彈性體的力學(xué)性能研究

丁鵬中,杜成斌,郭 斐

（河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院工程力學(xué)系，江蘇南京，210098）

0 引言

磁流變彈性體(magnetorheological elastomer,MRE) 是磁流變材料體系中的一個新分支。與磁流變液一樣同樣具有在磁場作用下流變特性可以發(fā)生連續(xù)、迅速、可逆的變化。為解決磁流變液的顆粒易沉降、穩(wěn)定性差、顆粒磨損等問題，科學(xué)家開始采用橡膠等高分子材料作為固體基體以取代磁流變液的油基或水基的液態(tài)基體,于是逐漸產(chǎn)生了磁流變彈性體。磁流變彈性體是由微米級或納米級的鐵磁性(軟磁)顆粒混合在高分子聚合物(如橡膠)中固化形成的，固化過程中添加勻強磁場，使基體中的鐵磁顆粒由于磁流變效應(yīng)形成鏈狀或柱狀的結(jié)構(gòu)。

磁流變彈性體相對于磁流變液克服了磁流變液團(tuán)聚和沉降穩(wěn)定性差,以及需要在密封狀態(tài)下工作的缺點,因此受到了相關(guān)研究人員的青睞。成為了磁流變材料研究的一個熱點。

本文的主要目的是以實驗的方法，尋求以高彈高韌類材料為基體的磁流變彈性體的制備方法，研制出滿足高磁流變效應(yīng),綜合性能優(yōu)良的磁流變彈性體,并將各材料進(jìn)行合理配比，制備出高性能的磁流變彈性體。

1 磁流變彈性體的制備

1.1 實驗原材料及設(shè)備

實驗所用原材料主要有:（1）廣東卡夫特公司生產(chǎn)的704RTV硅橡膠作為基體（2）江蘇天一有限公司生產(chǎn)的磁流變液專用羰基鐵粉,平均粒徑為3.5μm；（3）江蘇昆山市綠循化工商行生產(chǎn)發(fā)售的二甲基硅油作為增塑劑；（4）表面活性劑有油酸和無水乙醇。制備磁流變液所用儀器主要有:電動攪拌器、雙行星式球磨機(jī)以及真空干燥箱。

1.2 制備步驟

為了制備不同粒徑的磁流變彈性體,先要通過球磨機(jī)球磨羰基鐵粉一定時間以得到多組不同粒徑的羰基鐵粉。為了防止球磨的過程中粒子碰撞發(fā)生團(tuán)聚,球磨時需加入適量分散劑和溶劑。磁流變彈性體制備的主要步驟:（1）羰基鐵粉400g，無水乙醇80g，油酸8g，每罐合計總質(zhì)量488g(兩罐976g)。攪拌均勻后放入球磨機(jī)，按一定比例加入大小球進(jìn)行球磨；（2）球磨時間控制在6h、12h、24h、36h、48h、60h和72h，每次稱取出100g混合物放入真空干燥箱中烘干保存；（3）按表1及表2的配比制備單一粒徑及混合粒徑的磁流變彈性體；（4）將制備好的磁流變彈性體分別置于0.5T的磁場和無場的條件下進(jìn)行固化過程。

表1 不同鐵粉含量的配比(總量100g，質(zhì)量比 wt%)

表2 不同粒徑的顆粒搭配

2 實驗測試與結(jié)果分析

2.1 實驗儀器

用MCR-51 旋轉(zhuǎn)流變儀測試磁流變液流變性能,可以測量不同剪切速率和磁感應(yīng)強度下,磁流變液的剪切強度和表觀粘度。用D8 ADVANCE X 射線衍射儀測試球磨制取的羰基鐵粉的粒徑。

2.2 測試結(jié)果及分析

2.2.1 羰基鐵粉球磨后粒徑測試

通過衍射儀測出了球磨過的7份羰基鐵粉的粒徑大小。圖1給出了羰基鐵粉的粒徑大小與球磨時間的關(guān)系,從圖2中可以看出前24h球磨的效果較好,球磨24h后顆粒粒徑可以減少到600nm,球磨72h后粒徑減少到了300nm。

圖1 羰基鐵粉的粒徑大小隨球磨時間的關(guān)系

2.2.2 單一粒徑的MRE測試分析

流變儀在固定應(yīng)變r=0.1%，頻率f=10HZ條件下,調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強度在B=0～0.75T范圍變化，測試儲能模量與磁感應(yīng)強度的關(guān)系。分別對無場固化和有場固化條件下的磁流變彈性體試樣MRE-1～MRE-5進(jìn)行測試，得出剪切儲能模量與磁場強度的關(guān)系曲線，如圖2、圖3：量與磁感應(yīng)強度的關(guān)系

圖2 剪切儲能模量與磁感應(yīng)強度的關(guān)系

圖3 剪切儲能模

MRE試樣為單一粒徑無場固化 MRE試樣為單一粒徑有場固化

上圖的試驗結(jié)果顯示，有場固化和無場固化制得的試樣剪切儲能模量都隨外加磁場強度的增加而增加。當(dāng)磁場在0～500mT范圍內(nèi)時，剪切儲能模量的曲線變化比較顯著，磁流變彈性體在磁場600mT左右即進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，由此可推測磁場強度為0～500mT的區(qū)間可作為磁流變彈性體應(yīng)用的主要控制范圍。

根據(jù)龔興龍教授等人提出的理論觀點，磁流變彈性體內(nèi)部的顆粒與基體之間形成聚集結(jié)構(gòu)，其中部分基體會被顆粒包裹。當(dāng)施加外加磁場時，鐵磁顆粒間產(chǎn)生相互作用力，且作用力隨磁場強度的增加而不斷增強，被包裹的基體會因周圍顆粒作用而更為緊密，改變了彈性體的硬度和剛度等性狀，并導(dǎo)致磁致剪切模量隨顆粒相互作用力增大而增大。因此在宏觀表現(xiàn)上，磁流變彈性體在外加磁場強度增加的條件下，其儲能模量逐漸增大，該現(xiàn)象表明磁流變彈性體在磁場作用下體現(xiàn)了顯著的磁流變效應(yīng)。

羰基鐵粉含量越大的試樣獲得的磁致模量也更大，實驗結(jié)果證明了鐵磁顆粒含量的提高對磁流變彈性體的磁致性能有顯著的影響。其中，鐵粉質(zhì)量比80%的有場固化的試樣MRE-5達(dá)到了效果最顯著的磁流變效應(yīng)，其測得的最大剪切儲能模量為1.55MPa，磁流變效應(yīng)115.0%。另外，有場固化的試樣剪切模量均大于無場固化的試樣剪切模量。由此可證明，在磁流變彈性體的制備過程中進(jìn)行磁場固化，對磁流變彈性體的磁致模量和磁流變性能具有顯著的影響。這是因為在有磁場固化過程中，基體材料中的鐵磁顆粒被磁化的同時，自身也會形成一個極化場對其它顆粒產(chǎn)生作用。此時，單個顆粒受到了兩種磁場共同作用，產(chǎn)生了耦合效果，因而聚集形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，最終排列成有序的鏈狀結(jié)構(gòu)和柱狀結(jié)構(gòu)并固定在基體中，該結(jié)構(gòu)促使磁流變彈性體在出現(xiàn)磁流變效應(yīng)時能發(fā)揮更迅速、更顯著的作用。

2.2.3 不同粒徑的MRE測試分析

對不同顆粒粒徑搭配的試樣MRE-3和MRE-A 到MRE-G進(jìn)行測試，得出圖5、圖6

圖4 儲能模量與磁感應(yīng)強度的關(guān)系磁感應(yīng)強度的關(guān)系

圖5 剪切儲能模量與

MRE試樣為兩種粒徑無場固化 MRE試樣為兩種粒徑有場固化

在零磁場下，無場條件下固化的混合粒徑試樣的剪切模量普遍低于單一粒徑試樣MRE-3的模量；有場條件下固化的混合粒徑式樣的剪切模量普遍高于單一粒徑試樣MRE-3的模量。這是因為混合粒徑的平均粒徑是小于單一粒徑的，但在有場條件下固化，鐵粉在磁場作用下同一方向的磁性顆粒在磁場作用下沿著一定的方向成線狀排列,而在垂直磁場方向同一平面的近距離粒子間也要發(fā)生相互作用,形成一定的排列形式。小粒徑的鐵粉彌補了其缺陷。

試樣磁場作用下，當(dāng)顆粒中的細(xì)末顆粒粒徑稍微減小，如試樣MRE-A和MRE-B，由于顆粒的不均勻性導(dǎo)致鏈狀結(jié)構(gòu)不平整，試樣的在相同磁場下的磁致剪切模量明顯減小；而當(dāng)細(xì)末的粒徑繼續(xù)減小，如試樣MRE-C～MRE-F，小顆粒可以填補大顆粒與基體之間的空隙，使結(jié)構(gòu)得到良好修飾，且細(xì)末粒徑越小的試樣的修飾效果越好，因此磁致剪切模量也越大；但細(xì)末的粒徑過小時，如MRE-G，顆粒平均粒徑明顯減小，降低了磁流變效應(yīng)，使得試樣的磁致剪切模量減小。結(jié)果表明，混入球磨時間為48h～60h的細(xì)末顆粒的試樣達(dá)到了最大的磁致剪切模量。

3 結(jié)論

預(yù)加磁場固化的制備方法能大幅增加磁流變彈性體的磁致性能，鐵磁顆粒含量的增加能顯著提高磁流變彈性體的力學(xué)性能和磁致效應(yīng)。含量越高作用越顯著，其中鐵粉80%的試樣達(dá)到了最高的剪切儲能模量和最大的磁流變效應(yīng)。鐵粉混合適當(dāng)粒徑的細(xì)末顆粒，有利于提高磁流變彈性體的磁致模量，其中混入球磨時間48～60h的細(xì)末顆粒得到的工作效果最好。多種粒徑鐵粉中細(xì)小粒徑的鐵粉可以填充結(jié)構(gòu)的空隙，降低其結(jié)構(gòu)缺陷增強了磁流變效應(yīng)，能達(dá)到增強力學(xué)性能的作用。

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