不同軸向壓力下磁流變彈性體的剪切性能研究*

李承洪，楊 帆，錢文博

(華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門 361000)

0 引 言

磁流變材料，包括磁流變液、磁流變彈性體和磁流變泡沫，是一種根據外加磁場強度的變化，可連續、快速、可逆地控制其力學性能和形狀的一種智能材料，在振動控制領域具有很好的應用前景[1-2]。磁流變彈性體(MREs)作為磁流變材料的一個新分支，是由納米級或微米級的磁性粒子分散在各種高分子聚合物中而形成的新型智能材料。磁流變彈性體在外加磁場作用下固化一段時間，在一定的取向磁場下，磁性粒子在橡膠類基體中會形成鏈狀或柱狀結構[3-5]，它克服了磁流變液中粒子沉淀、材料穩定性和密封問題的同時，還保留了阻尼、剛度可控的特性[6-7]。因而近年來成為了磁流變材料研究的一個熱點，在汽車、橋梁、建筑和振動控制等應用中取得了較好的研究成果[8]。

磁流變彈性體的最主要特性就是其磁流變特性，其磁流變特性在很大程度上決定了MREs的應用范圍及效果。幾十年來，國內外眾多研究者對磁流變彈性體的磁流變特性開展了大量研究。如基體的不同類型[9-13]和填充顆粒的空間分布、體積濃度、顆粒尺寸大小和形狀[14-17]，磁場強度、顆粒的取向[18-20]、頻率和應變幅值[21-22]等。上述研究大部分結果表明基體的粘彈性、外加磁場強度以及顆粒的微觀結構[23]對MREs的磁流變特性具有很大影響。目前對MREs材料的磁流變特性研究主要是集中在恒壓剪切模式下，而對于不同軸向壓力情況下MREs的剪切性能研究較少。因此，測試不同軸向壓力作用下磁流變彈性體的剪切性能是很有必要的。

本文以硅橡膠基磁流變彈性體為研究對象，通過施加不同的軸向壓力，來分析磁流變彈性體的彈性模量、磁致效率等特性。測試結果表明，磁流變彈性體的儲能模量和耗能模量隨著軸向壓力的增大而增大，最后趨于飽和狀態；應力-應變磁滯回線的面積和長軸斜率均隨軸向壓力的增大不斷增大。相反，其磁致效率在磁場中表現出隨著軸向壓力增大，其磁致效率越低，在高磁場強度下更加明顯。對這一現象的發現和描述有助于將其應用于工程領域。

1 磁流變彈性體制備

1.1 實驗原材料及儀器設備

本文研究采用由美國Smooth-on公司生產的Ecoflex 0010型硅橡膠作為磁流變彈性體的基體，而填充顆粒，則采用了由德國巴斯夫生產的SQ型號羰基鐵粉，粒徑范圍為3.9～5 μm。因為巴斯夫羰基鐵粉具有穩定的磁導率、較低的損耗和高磁飽和特性。制備磁流變彈性體所需要的設備有電動攪拌器、電子秤、真空桶和均勻磁場發生裝置。

1.2 樣品制備

各向異性磁流變彈性體的具體制備過程可以分為4步：

(1)材料的提取

按2∶1∶1的質量比依次取出羰基鐵粉、硅橡膠和硅膠凝固劑共20 g，質量配比如表1所示；

表1 MREs樣品原材料質量比Table 1 Component mass ration of MREs sample

(2)混合

把稱量好的羰基鐵粉、硅橡膠及硅膠凝固劑放入容器中，然后使用電動攪拌器攪拌6 min，使鐵磁顆粒充分均勻的分散在硅橡膠基體中；

(3)排氣泡

將攪拌均勻后的混合物注入準備好的模具里，然后放入真空桶中，抽真空5 min，盡可能除去混合物中的氣泡，使其內部顆粒形成理想的鏈狀結構；

(4)固化

將抽完真空后的混合物取出，蓋上蓋板后放在磁場強度為134 mT的均勻磁場發生裝置中。在室溫下經過24 h固化后，可制備出磁流變彈性體樣品，其內部粒子的排列方向與固化磁場方向一致。

圖1為MREs制備流程圖和樣品實物圖，樣品的半徑為10 mm，厚度為1 mm。

圖1 MREs制備流程及實物圖Fig 1 Preparation and physical diagram of MREs

2 實驗測試與結果分析

2.1 實驗測試

本實驗所用到的實驗儀器是美國TA公司生產的型號為DHR-2的旋轉流變儀，夾具選用直徑為20 mm的平行板夾具。保持溫度一直在25 ℃，振蕩模式進行測試。為了避免樣品和幾何體之間產生滑動，對試樣施加不同的軸向壓力，具體測試參數如表2。施加的外部磁場方向垂直于MREs固化時磁場方向，磁場強度大小隨時間變化曲線如圖2所示。

表2 MREs測試參數Table 2 The test parameters of MREs

圖2 磁場強度隨時間變化曲線Fig 2 Curve of magnetic field strength over time

2.2 結果及分析

2.2.1 軸向壓力下磁流變彈性體的剪切性能研究

圖3為不同磁場強度和軸向壓力下，磁流變彈性體的儲能模量和耗能模量變化關系。由圖3(a)可以發現，在不同軸向壓力條件下，MREs的儲能模量隨著外加磁場的增大而增加。磁場強度在0.1～0.8 T范圍內時，儲能模量增加的幅度比較大，但當磁場強度大于0.9 T時，增加的幅度逐漸緩慢，磁流變彈性體即將進入飽和狀態，即鐵磁粒子出現了磁飽和現象。這是因為樣品內部鐵磁顆粒間的相互作用關系產生的，當施加外部磁場時，鐵磁顆粒間會產生相互作用力，并且會隨著外部磁場強度的增加而增大，因此表現出樣品的儲能模量逐漸增大。當內部鐵磁顆粒達到飽和狀態時，磁性顆粒間的相互作用力不再隨著磁場強度的增加而增大，故磁流變彈性體會接近飽和狀態。

圖3(b)為不同磁場強度下，磁流變彈性體的儲能模量與軸向壓力的變化關系。從圖中可以看出，隨著軸向壓力的增大，MREs樣品的儲能模量均逐漸增加。如當在外加磁場為0.4 T、軸向壓力為2 N時，儲能模量為0.076 MPa，而當軸向壓力增加到10 N時，儲能模量為0.095 MPa。這說明軸向壓力大小對磁流變彈性體的性能有的較大影響。因為在比較大的軸向壓力下，其基體內部相鄰粒子間的相對距離減小，導致顆粒間的互作用力增大，故儲能模量會逐漸增大。

圖3 不同磁場強度和軸向壓力下MREs的儲能模量和耗能模量Fig 3 Storage modulus and loss modulus of MREs under different magnetic field strength and axial loading

圖3(c)、(d)分別為樣品的耗能模量與磁場強度、軸向壓力的關系。圖中結果表明，樣品的耗能模量隨外加磁場強度的增加而增大，最后趨于飽和狀態，且軸向壓力越大，其越快達到飽和狀態。而在同一磁場強度下，耗能模量隨軸向壓力的增大也呈現增加趨勢。

為了描述在不同軸向壓力作用下磁流變彈性體樣品的磁致效率隨外加磁場的變化情況，我們采用下列公式來表示磁流變彈性體的磁致效率：

圖4(a)試驗結果表明，在不同的軸向壓力下，樣品的磁致效率具有相同的變化趨勢，其隨磁場強度的增大而增加，最后都趨于飽和狀態。相反，在同一磁場強度條件下，樣品的磁致效率隨著軸向壓力的增大反而降低，即施加軸向壓力越大的磁流變彈性體，其磁致效率越低。其中在磁場強度為1T時，軸向壓力為2 N的磁流變彈性體樣品的磁致效率為4.76%，而軸向力為10 N的磁流變彈性體樣品其磁致效率卻為3.9%，差值為0.86%，如圖4(b)所示。

圖4 磁致效率與磁場強度和軸向壓力的關系Fig 4 Relationship between magnetostatic efficiency and magnetic field strength and axial loading

2.2.2 軸向壓力對MREs磁滯性能的影響

圖5為在軸向壓力為4 N時，磁流變彈性體樣品在不同磁場情況下的應力-應變關系。從圖5(a)磁滯回線圖中可以看出，隨著磁場強度的增大，磁滯回線圍成的回滯環面積和斜率均在不斷的增加，即磁流變彈性體的損耗能量和等效剛度在不斷的增加，說明材料的阻尼和剛度隨磁場的增大也在增大。所以可以通過比較磁滯回線面積變化量和斜率來研究材料的阻尼和剛度。

圖5(b)給出的是軸向壓力為4 N時，回滯環的面積與斜率隨外加磁場變化的結果。可以看出，在低水平磁場強度時，回滯環面積增加的比較明顯，樣品損耗的能量較多；當達到高水平磁場強度時，回滯環面積增加的不明顯，基本保持不變。同樣，磁滯回線的斜率也具有同樣的趨勢。這是因為在低水平磁場范圍內，隨著外部磁場的增強，樣品內部磁性粒子間的相互作用增強，材料的阻尼增大，損耗的能量也加大；當磁場達到0.8 T時，磁性粒子將達到飽和狀態，粒子間的相互作用不變，材料的阻尼不在增大了，以及材料損耗的能量不變，即回滯環的面積基本保持不變。

圖5 軸向壓力為4 N的MREs在不同磁場下應力-應變特性關系Fig 5 Relationship of stress-strain characteristics of MREs with axial pressure of 4 N under different magnetic fields

圖6是在磁場強度為0.5 T，不同大小軸向壓力作用下，磁流變彈性體樣品的應力-應變特性關系。從圖6(a)中可以看出隨著軸向壓力的增大，回滯環的面積在不斷的增加，且越來越陡，即磁流變彈性體的損耗能量和剛度在不斷的增加，說明材料的阻尼和剛度隨軸向壓力的增大也在增大。

圖6 磁場強度為0.5 T的MREs在不同軸向壓力下應力-應變關系Fig 6 Relationship of stress-strain of MREs with a magnetic field strength of 0.5 T under different axial loading

圖6(b)是樣品在0.5 T時，磁滯回線的面積與斜率隨軸向壓力變化的結果。可以看出，隨著軸向壓力的增大，回滯環面積也在不斷地增加。同樣，磁滯回線的斜率也具有同樣的趨勢，但增加的幅度較小，說明軸向壓力對MREs剛度的影響較小。

3 結 論

通過比較不同磁場強度和軸向壓力作用下，對磁流變彈性體的剪切性能進行了測試和研究。測試結果表明：

(1)磁流變彈性體的儲能模量和耗能模量均隨磁場增大而增加，并且在0.1～0.8 T時增長趨勢較大，當磁場強度達到0.9 T時增長緩慢，磁流變彈性體樣品基本達到飽和狀態；

(2)在同一磁場強度條件下，軸向壓力的增大，可致使磁流變彈性體樣品儲能模量和耗能模量的增加，最后趨于飽和狀態。相反，樣品的磁致效率卻隨著所施加軸向壓力的增大而呈現降低的趨勢。表明對樣品施加的軸向壓力大小對磁流變彈性體的性能有著較大的影響；

(3)磁流變彈性體樣品的應力-應變磁滯回線形成的面積隨著磁場強度的增大也在不斷的增加，即磁流變彈性體的損耗能量在不斷的增加。其中，在低水平磁場強度時，回滯環面積增加的比較明顯，損耗的能量較多；而在高水平磁場強度范圍內，回滯環面積增加的不明顯，基本保持不變。同樣，應力-應變磁滯回線的斜率也具有相同的趨勢，

(4)在相同磁場強度下，磁滯回線圍成的面積隨著軸向壓力的增大而不斷的增加，但磁滯回線斜率增大的幅度較小。