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1、第22卷第324期实验力学Vol.22No.3242007年8月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSAug.2007文章编号:100124888(2007)03&04203722073天然橡胶基磁流变弹性体的研制与表征陈琳,龚兴龙,孔庆合(中国科学技术大学力学和机械工程系,中国科学院材料力学行为与设计重点实验室,合肥230027)摘要:磁流变弹性体又称磁敏高弹体,是一种由高分子聚合物和磁性颗粒构成的新型智能材料,它的力学、电学、磁学等诸性能可以由外加磁场来控制,因此磁流变弹性体在舰船、振动控制等领域具
2、有广泛的应用前景。但目前国际上研制的磁流变弹性体存在机械性能不够好和磁致效应不够强的问题,这制约了基于磁流变弹性体器件的设计和应用。为了制备出实用型磁流变弹性体,本文对其制备条件进行了研究,包括基体类型、预结构化时磁场强度和温度、增塑剂和磁性颗粒含量对磁流变弹性体磁致效应的影响。结果表明,以天然橡胶为基体的磁流变弹性体,在高于600mT外加磁感应强度下,当磁性颗粒含量为80%(质量比)时,剪切模量的相对增量达133%;而当磁性颗粒含量为90%时,剪切模量的绝对增量达4.5MPa。本文还对磁流变弹性体应用环境进行了实验研究,结
3、果表明磁流变弹性体在小应变下显示出更强的磁致效应,而激励频率不改变材料的磁致模量。关键词:磁流变弹性体;磁敏高弹体;磁致效应;磁致模量;机械性能中图分类号:TB381文献标识码:A0引言磁流变材料是一类新型功能材料和智能材料。由于其响应快(ms量级)、可逆性好(撤去磁场后,又恢复初始状态)以及可以通过调节磁场大小来控制材料的力学、电学、磁学等性能连续变化,因而在航空[1]航天、汽车、振动控制等领域具有广泛的应用前景。[2]1948年,Rabinow发现磁流变效应,磁流变液是最早出现的磁流变材料,它是由微米或亚微米尺寸软磁性颗
4、粒均匀分散于液相中所构成的悬浮体系。磁流变液在外加磁场作用下,产生类似液-固相变,相变结果不仅使整个原悬浮体系从牛顿流体转变为非牛顿流体,还表现出屈服应力和表观粘度有[3～5]2～3个数量级的变化。磁流变弹性体又可以称为磁敏高弹体,是磁流变材料的新分支。通过使用高分子聚合物来代替磁流变液的油基或水基的液态基体,解决了磁流变液的易沉降、稳定性差、颗粒易磨损等缺点。通过物理化学手段,将微米级软磁性颗粒散布在粘塑性态的高分子聚合物基体中,固化后形成的复合材料即为磁流变弹性体。与普通磁流变液相比,由于其颗粒被固定在基体中,不存在颗粒
5、沉降问题。在磁场作用下,磁流变弹性体内部颗粒被磁化后,产生相互作用力。在磁流变弹性体受到形变时,这些磁力在其内部形成反向力矩,增强材料抵抗变形能力。因此,磁流变弹性体在外加磁场下会产生磁致模量和磁致阻[6,7]尼。这种现象统称为磁流变弹性体的磁致效应。由于可控性、可逆性、稳定性好、响应迅速、结构设[8～10]计简单、制备成本低等独特的优点,磁流变弹性体从一出现就引起了广泛的关注。利用磁流变弹3收稿日期:2007203228基金项目:国家自然科学基金(编号:10672154);高等学校博士学科点专项科研基金(编号:200503
6、58010)通讯作者:龚兴龙(1966-),男,教授,博士生导师。主要从事电磁流变材料和振动控制的研究。E2mail:gongxl@ustc.edu.cn第324期陈琳等:天然橡胶基磁流变弹性体的研制与表征373性体在外加磁场下的磁致效应,有些研究者已设计出基于磁流变弹性体的器件。如Ford汽车公司设计[10]出了能在轴向和径向实现不同的刚度控制的轴衬;中国科技大学设计出剪切型磁流变弹性体主动移[11]频调谐式动力吸振器。但至今基于磁流变弹性体的应用还很有限,尚未达到工业化和商业化的要求。这是由于目前国际上研制的磁流变弹性体
7、存在磁致效应和机械性能上的矛盾。为了制备简单和获得相对较高的磁流变效[6,8,12,13]应,不少研究者使用了室温固化硅橡胶、树脂、凝聚等软性材料为基体,而这些材料本身机械性能不好,限制了基于磁流变弹性体的器件在高强度环境下的应用。当然,国际上也有研究人员用天然橡[10,14]胶、晴橡胶等综合性能良好的聚合物为基体制备磁流变弹性体,但这些磁流变弹性体存在磁流变效应不高的问题,同样限制了磁流变弹性体的实际应用。在探索制备高性能实用型磁流变弹性体时,很少有研究者对制备时的预结构化过程做过研究,几乎没有研究人员注意到作为辅助添加剂
8、的增塑剂对磁流变效应的重大影响。除了磁流变弹性体本身,磁致效应也很大程度上依赖于其应用环境。本文研究了制备磁流变弹性体时,基体类型、预结构时温度和磁场强度、增塑剂和磁性颗粒含量对磁流变弹性体的性能的影响,并研究了动态应变、运动频率等外部应用环境对磁流变弹性体性能的影响。1实验1.1材料制备
