磁流變彈性體的研制及其力學行為的表征.pdf

1、磁流變彈性體是一類智能材料。它是由高分子聚合物和軟磁性顆粒組成，在外加磁場的作用下，其模量和阻尼等性能會發(fā)生變化。目前已有不少研究者利用磁流變彈性體的變剛度特性，設計了調頻式動力吸振器和汽車懸掛軸襯等器件。因此，磁流變彈性體在振動控制等工程領域具有良好的應用前景。 磁流變彈性體要實現工程化，一方面需要具備顯著的磁流變效應(一般指模量在磁場下的可摔范圍)，另一方面需要具備優(yōu)異的綜合性能。而目前磁流變彈性體的磁流變效應仍不夠大，同時

2、多數研究者僅考慮了其模量，忽略了同樣重要的阻尼特性和機械性能。在磁流變彈性體機理研究方面，現有模型往往存在過多的假設，影響了結果的可靠性。 為解決上述存在問題，本文建立了一套適合于高彈高韌類材料為基體的磁流變彈性體的研制系統(tǒng)，并對磁流變彈性體進行了初步制備；研究了多種制備和測試參數下磁流變彈性體的磁流變效應等力磁耦合性能與機械性能，同時分別通過動態(tài)實驗和數值模擬的方法研究了磁流變彈性體的阻尼特性；基于觀測到的微觀結構建立了兩種磁

3、流變彈性體的磁致模型；最后根據上述研究成果對材料進行了進一步優(yōu)化設計，得到了綜合性能良好的磁流變彈性體。 本文首先概述了磁流變材料的歷史、分類和應用，著重介紹了磁流變彈性體的最新研究進展以及存在的科學和應用問題。 建立了一套適用于以天然橡膠為代表的高彈高韌類材料為基體的磁流變彈性體的研制系統(tǒng)。在制備基體/顆粒的粘塑態(tài)磁性混合物時，分別通過了溶劑法和混煉法兩種途徑。從性能、工藝、效率和可行性等方面，比較了兩種方案的優(yōu)劣，并

4、最終采用了混煉法。組建了熱磁耦合預結構化和固化系統(tǒng)，探索出了基于高彈高韌基體材料的磁流變彈性體的研制方案，并進行了初步制備。 實驗研究了包括預結構磁場強度、溫度、增塑劑和鐵粉含量的制備參數和包括動態(tài)應變和激勵頻率的測試參數對磁流變彈性體動態(tài)力學性能的影響。此外，搭建了準靜態(tài)力磁耦合剪切裝置，實驗研究了不同鐵粉含量的磁流變彈性體在有無外場下的準靜態(tài)應力-應變關系；評估了磁流變彈性體的拉伸強度、撕裂強度、硬度、回彈性、抗熱氧老化和耐

5、磨耗性能等基本機械性能。 通過掃描電鏡觀測了不同磁感應強度下制備的磁流變彈性體中磁性顆粒形成的微觀結構。發(fā)現在預結構過程中施加磁場后，顆粒逐漸團聚成柱狀結構。隨著施加的磁感應強度的增大，顆粒柱狀結構的寬度和長度也隨之增大。 基于觀測到的微觀結構，舍棄了襲用于磁流變液的顆粒貫穿模型，建立了適用于磁流變彈性體的力學模型。首先建立了有限柱長模型。在有限柱長模型中，假設磁流變彈性體內包含若干段寬度相同長度隨機分布的柱狀結構。通過

6、等效磁導率的方法推導出了磁流變彈性體的磁致應力和磁致模量的表達式。接著對磁流變彈性體結構與性能這一問題作了進一步深入的研究。發(fā)現對于任何一塊磁流變彈性體，其中包含的柱狀顆粒結構的長度呈高斯分布。據此建立了一種普遍性更高的磁流變彈性體高斯分布模型。通過該模型研究了顆粒柱結構長度、寬度、外加磁場強度以及應變對磁流變彈性體磁致性能的影響。與傳統(tǒng)的Jolly和Davis模型相比，高斯分布模型具有更好的精度和更廣的使用范圍。 分別通過動態(tài)

7、實驗和數值模擬的方法研究了磁流變彈性體的阻尼特性。相關實驗研究結果表明，除剛度可控外，磁流變彈性體也是一種阻尼可控的材料。據此提出了與外加磁場相關的新界面滑移假設。通過對磁流變彈性體取三維代表體積單元，使用有限元軟件計算其在受到周期動態(tài)剪切應變時的響應。計算結果顯示，應力應變的曲線最終收斂于一個遲滯回線。由此計算出了磁流變彈性體的不加磁場時的阻尼比，且比較接近于實驗結果。 最后基于以上的理論和實驗結果，結合應用需求，對磁流變彈性