硅橡膠基磁敏彈性體制備及其壓縮力學(xué)性能實驗研究

張燦陽, 萬 強, 郝志明

(1.北京理工大學(xué) 機電學(xué)院， 北京 100081； 2.中國工程物理研究院 總體工程研究所， 四川 綿陽 621900)

0 引 言

磁敏彈性體，簡稱磁彈體，是一種可受磁場調(diào)控的智能軟材料，主要表現(xiàn)在它的剛度、阻尼等特性會隨外界磁場強度的變化而迅速變化.通過一定的化學(xué)或物理手段將羰基鐵粉、Fe2O3粉等磁敏顆粒分散并且固化在硅橡膠、聚乙烯醇等高分子聚合物中，可以制備得到磁彈體.由于磁敏顆粒使磁彈體具有可受磁場強度控制的特點，高分子基體使磁彈體具有高彈、大變形等特點，因此，磁彈體被廣泛地應(yīng)用于主動式振動控制與柔性壓力傳感等相關(guān)領(lǐng)域[1-3].目前，磁彈體的相關(guān)研究多針對其剪切力學(xué)性能隨磁場的變化來反映其磁流變效應(yīng)，例如，Jolly等[4]研究了外磁場強度對磁彈體靜態(tài)剪切模量的影響，方生等[5]建立了一套動態(tài)力學(xué)測試系統(tǒng)，分析了影響磁彈體動態(tài)剪切力學(xué)性能的諸多因素.但目前關(guān)于磁彈體拉壓力學(xué)性能的實驗類文獻較少[6].事實上，磁彈體在實際應(yīng)用中作為承壓件工作在壓縮力學(xué)狀態(tài)的情況較多，如柔性傳感器、隔振器、阻尼器等[7-10].為了能夠更好地促進磁彈體在工程實踐中的應(yīng)用，有必要對其壓縮力學(xué)性能進行深入研究，例如，探究磁敏顆粒含量、外界磁場強度及內(nèi)部磁敏顆粒分布等因素對磁彈體壓縮力學(xué)性能產(chǎn)生的影響.對此，本研究通過實驗手段分析了這些影響，擬為設(shè)計與應(yīng)用含有磁彈體的器件提供相關(guān)數(shù)據(jù).

1 試樣與測試系統(tǒng)

1.1 磁彈體制備

1.1.1 材 料.

實驗中， 磁彈體的基體相為硅橡膠(GMX-608T型， 中藍晨光化工研究設(shè)計院有限公司)，磁敏顆粒填充相為羰基鐵粉(CN型， BASF公司)；其他輔料包括， 二甲基硅油(致遠化學(xué)試劑有限公司)，硅橡膠固化劑(60M型，中藍晨光化工研究設(shè)計院有限公司).

1.1.2 制 備.

試樣制備時，硅橡膠與二甲基硅油的質(zhì)量比為3∶2，硅橡膠與固化劑的質(zhì)量比為8∶1，按照上述比例稱量硅橡膠、二甲基硅油、固化劑，并按照需要的磁敏顆粒含量稱量羰基鐵粉.稱量后按照如下步驟混合各原料并等待硅橡膠固化.

1)將二甲基硅油倒入燒杯中，再將羰基鐵粉置入二甲基硅油中，充分攪拌均勻，使羰基鐵粉被二甲基硅油良好地包裹，以增強顆粒填充相在基體相中的流動性.

2)在步驟“1)”的混合物中加入硅橡膠、固化劑，快速攪拌均勻，把充分攪拌均勻的混合物放入真空干燥箱中，在真空度<1%、室溫的環(huán)境中靜置2 min，以除去混合物中的氣泡，防止固化后得到的磁彈體內(nèi)部含有大量孔洞.

3)將充分排除氣泡后的混合物倒入模具中，確保混合物充滿模具，閉合模具，排出多余的混合物，在室溫的環(huán)境條件下保持24 h固化成型.

測試發(fā)現(xiàn)，通過上述步驟制備得到的磁彈體的內(nèi)部磁敏顆粒是隨機均勻分布的，簡稱各向同性磁彈體.圖1(a)為在電子顯微鏡下觀察各向同性磁彈體樣品內(nèi)部得到的微觀結(jié)構(gòu)圖.

如果將混合物連同模具一起置于均勻磁場的正中，在磁場強度為600 mT及室溫的環(huán)境條件下保持24 h固化成型.此時，在磁彈體固化成型的過程中，磁敏顆粒受到磁場力的作用，會形成鏈狀或柱狀的顆粒鏈，并隨著固化的進程而固定在基體中.這種內(nèi)部磁敏顆粒成鏈狀分布的磁彈體簡稱各向異性磁彈體.圖1(b)為在電子顯微鏡下觀察各向異性磁彈體樣品內(nèi)部得到的微觀結(jié)構(gòu)圖.

制備所得圓柱體形磁彈體樣品的尺寸為直徑12 mm、高度3 mm，如圖1(c)所示.

圖1 磁彈體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)圖及樣品圖

1.2 測試系統(tǒng)

本實驗的力磁耦合測試系統(tǒng)由材料試驗機、磁場發(fā)生裝置及加載桿等部件組成，具體如圖2(a)所示.系統(tǒng)的加載桿與材料試驗機相連，對磁彈體樣品施加單向壓縮載荷.

系統(tǒng)的磁場發(fā)生裝置可為實驗區(qū)域提供強度可調(diào)的均勻磁場，其結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，通過調(diào)整N極和S極之間的距離可以實現(xiàn)磁場強度連續(xù)可調(diào).N極和S極分別為兩個圓柱體形的釹鐵硼永磁鐵，直徑130 mm，高度50 mm，中心開有直徑為40 mm的通孔，便于直徑為20 mm的鋁制加載桿穿過.

圖2 力磁耦合測試系統(tǒng)

為了分析本磁場發(fā)生裝置能否為實驗區(qū)域提供均勻磁場，圖3(a)為利用有限元軟件磁學(xué)模塊模擬本研究使用的永磁鐵在相距120 mm時，磁場發(fā)生裝置中心處縱截面的磁感應(yīng)強度分布云圖，圖3(b)為磁場發(fā)生裝置中心處橫截面的磁感應(yīng)強度分布云圖.由圖3可以看出，試樣所處的實驗區(qū)域磁場強度分布均勻.

同時，為了進一步證明實驗區(qū)域的磁場均勻性及可調(diào)性，本研究還分別測試了永磁鐵間距為120 mm、100 mm、80 mm、60 mm、40 mm時，沿半徑方向的磁感應(yīng)強度(見圖3(b))，每調(diào)整一次永磁鐵間距，使用特斯拉計(HT20型，亨通磁電有限公司)從原點開始沿x軸每隔5 mm測量一次磁感應(yīng)強度.測量結(jié)果如圖3(c)所示.數(shù)據(jù)表明，隨著永磁鐵間距的逐步減小，磁感應(yīng)強度逐步增大；且磁感應(yīng)強度在距離x軸原點-10 mm至+10 mm的范圍內(nèi)基本保持不變，該范圍大于試樣的直徑Φ12 mm，也覆蓋了實驗時使用的加載桿直徑Φ20 mm的范圍.因此，本研究采用的力磁耦合測試系統(tǒng)完全可以滿足實驗過程對磁場均勻且可調(diào)的要求.

圖3 力磁耦合測試系統(tǒng)磁場分布圖

2 實驗與結(jié)果分析

2.1 羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)對磁彈體壓縮模量的影響

在實驗中，分別制備了羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)為20%、40%、60%、80%的4種各向同性磁彈體試樣，并在250 mT、300 mT 2種外磁場強度工況下進行測試.共進行了8組實驗，每組實驗重復(fù)3次，并取3次實驗的平均壓縮模量作為該組實驗結(jié)果.實驗結(jié)果如圖4所示.

圖4 磁彈體壓縮模量隨羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)變化規(guī)律

從圖4可以看出，磁彈體試樣的壓縮模量隨著羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)的增加而增加.其中，磁彈體試樣的壓縮模量增加的幅度在羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)低的情況下表現(xiàn)得不明顯，如圖4中質(zhì)量分數(shù)由20%增加到40%再增加到60%時；而磁彈體試樣的壓縮模量增加的幅度在羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)高的情況下表現(xiàn)得非常明顯，如圖4中質(zhì)量分數(shù)由60%增加到80%時.同時，實驗發(fā)現(xiàn)，在不同的外磁場強度工況下磁彈體均符合該規(guī)律.

2.2 磁場強度對磁彈體壓縮模量的影響

在實驗中，選取羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)為60%的各向同性磁彈體試樣，分別在110 mT、150 mT、200 mT、250 mT、300 mT、350 mT及400 mT 7種外磁場強度工況下進行測試，每種磁場強度重復(fù)3次實驗，取3次實驗的平均壓縮模量作為該組實驗結(jié)果.同時，選取羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)為80%的各向同性磁彈體試樣也進行上述實驗.實驗結(jié)果如圖5所示.

從圖5可以看出，磁彈體試樣的壓縮模量隨著磁場強度的增加而增加，但這種增加并不均勻，在磁場強度較小的情況下，如磁場強度<200 mT，磁彈體試樣的壓縮模量隨著磁場強度的增加而緩慢增加；當磁場強度增加至某個敏感區(qū)間時， 如200 mT<磁場強度<300 mT， 磁彈體試樣的壓縮模量隨著磁場強度的增加而急劇增加；當磁場強度進一步增加時，如磁場強度>300 mT，由于羰基鐵粉的磁化逐漸趨于飽和，磁彈體試樣的壓縮模量隨著磁場強度的增加又變得緩慢增加.同時，實驗發(fā)現(xiàn)，不同羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)的磁彈體均符合該規(guī)律.

圖5 磁彈體壓縮模量隨磁場強度變化的規(guī)律

2.3 磁彈體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對磁彈體壓縮模量的影響

為了對比磁彈體內(nèi)部磁敏顆粒分布形式(隨機均勻分布或成鏈狀分布)對磁彈體壓縮模量的影響.選取羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)為60%的各向異性磁彈體試樣分別在110 mT、150 mT、200 mT、250 mT、300 mT、350 mT及400 mT 7種外磁場強度工況下進行測試，每種磁場強度重復(fù)3次實驗，取3次實驗的平均壓縮模量作為該組實驗結(jié)果.同時，選取羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)為60%的各向同性磁彈體試樣也進行上述實驗.實驗結(jié)果如圖6所示.

圖6 各向異性及各向同性磁彈體壓縮模量對比圖

從圖6可以看出，各向異性與各向同性磁彈體試樣的壓縮模量都隨著磁場強度的增加而增加，但增加幅度不同.各向異性磁彈體試樣的壓縮模量隨磁場強度的增加而大幅增加；各向同性磁彈體試樣的壓縮模量隨磁場強度的增加而緩慢增加.這是由于鐵粉顆粒成鏈狀分布后，在磁場環(huán)境下，顆粒與顆粒之間受到了更強的磁相互作用造成的.

3 結(jié) 論

本研究通過制備硅橡膠基磁敏彈性體并搭建力磁耦合測試系統(tǒng)，開展準靜態(tài)壓縮力學(xué)性能測試，分析了羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)、磁場強度以及磁彈體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)等因素對其單向壓縮力學(xué)性能的影響，得出如下結(jié)論：在磁場強度一定的情況下，羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)越高則磁彈體的壓縮模量越大，并且這種影響在大質(zhì)量分數(shù)的情況下體現(xiàn)得尤為強烈；磁彈體的壓縮模量隨著磁場強度的增加而增加，其增加幅度與磁彈體內(nèi)部磁敏顆粒的磁化程度緊密相關(guān)；磁彈體的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)能夠影響其壓縮力學(xué)性能，由于磁敏顆粒之間有更強的磁相互作用，各向異性磁彈體的壓縮模量隨磁場強度的增長幅度大于各向同性磁彈體的增長幅度.