新型磁敏智能軟材料（磁流變塑性體）的制備，表征及機(jī)理研究.pdf

1、磁流變塑性體是一類將微米級軟磁性顆粒均勻分散在塑性高聚物基體中制備而成的新型磁敏智能軟材料。這種材料在無外加磁場條件下類似于橡皮泥，可以被改變成任意形狀且當(dāng)外力撤去后可以保持其形狀不變。由于高聚物基體的塑性特征，磁流變塑性體克服了傳統(tǒng)的磁流變液的顆粒沉降問題，同時繼承了磁流變液中磁性顆?？梢苿拥奶匦?。當(dāng)施加外部磁場后，材料內(nèi)部的磁性顆粒在磁場力作用下可以沿著磁場方向取向排列，直至形成穩(wěn)定的具備鏈狀（或柱狀）微結(jié)構(gòu)的各向異性材料，且這種鏈

2、狀或柱狀顆粒微結(jié)構(gòu)還會沿著新的磁場方向重新排列。當(dāng)撤去外部磁場之后，鏈狀（或柱狀）顆粒微結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)保持在基體中，這又類似于磁流變彈性體中顆粒鏈可以被固化在基體中的特性。
　　磁流變塑性體的出現(xiàn)豐富了磁流變材料的種類，填補(bǔ)了磁流變液和磁流變彈性體之間的空白。磁流變塑性體內(nèi)部靈活的磁致顆粒取向排列的過程可以極大地改變其磁流變性能，也使其成為研究磁流變機(jī)理的理想材料。對磁流變塑性體的磁流變性能和磁致阻抗性能的表征有助于深入地理解磁流變

3、材料微結(jié)構(gòu)演化和宏觀物理性能之間的聯(lián)系，也為這類材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。此外，在對磁流變塑性體進(jìn)行系統(tǒng)的表征中還發(fā)現(xiàn)了許多獨(dú)特的物理性能，如磁控阻尼性能，高磁敏性，靈活的顆粒自組織性和優(yōu)異的自愈性等，這使得磁流變塑性體在緩沖器，阻尼器，傳感器等領(lǐng)域具備很大的應(yīng)用潛力。
　　為了了解磁流變塑性體動態(tài)力學(xué)性能的微結(jié)構(gòu)依賴性，在振蕩剪切模式下對磁流變塑性體采用應(yīng)變幅值掃描和頻率掃描。掃描過程中發(fā)現(xiàn)了分別由應(yīng)變幅值和振蕩頻率引起的非線性

4、現(xiàn)象，并對不同的非線性機(jī)理進(jìn)行了討論。討論結(jié)果認(rèn)為，應(yīng)變幅值引起的非線性是由于微結(jié)構(gòu)被破壞引起的。有意思的是，雖然微結(jié)構(gòu)的破壞會立即對動態(tài)力學(xué)性能產(chǎn)生影響，但卻不會馬上導(dǎo)致應(yīng)變幅值引起的非線性的產(chǎn)生。當(dāng)應(yīng)變幅值超過0.1％時，儲能模量隨應(yīng)變幅值增加而急劇減小，但當(dāng)應(yīng)變幅值超過1％時，明顯的非線性才會產(chǎn)生。與角頻率的平方成正比的慣性項(xiàng)會導(dǎo)致頻率非線性的產(chǎn)生。這種非線性只有當(dāng)振蕩頻率大于21.54Hz時從應(yīng)力應(yīng)變曲線中才能觀察到。當(dāng)確定了磁

5、流變塑性體的線性粘彈性區(qū)間后，我們對其在振蕩剪切模式下的磁流變性能進(jìn)行了系統(tǒng)地表征。顆粒含量為80wt％的各向異性磁流變材料表現(xiàn)出優(yōu)異的磁控動態(tài)力學(xué)性能:最高磁致模量達(dá)到6.54MPa;相對磁流變效應(yīng)為532％;相比之前報道的磁流變彈性體，這種材料具備更高的磁流變性能。通過調(diào)節(jié)外部磁場損耗因子可以從1左右降低到0.03。此外我們還發(fā)現(xiàn)磁流變塑性體的動態(tài)力學(xué)性能受溶劑的影響很大，其在無磁場下物理狀態(tài)也可以通過調(diào)節(jié)溶劑的含量實(shí)現(xiàn)從類固態(tài)向類

6、液態(tài)轉(zhuǎn)變。通過分析添加不同含量溶劑的磁流變塑性體之間磁流變性能的巨大差異和磁場作用下顆粒在不同基體中的運(yùn)動情況對深入地理解顆粒和基體之間的力磁耦合機(jī)理并促進(jìn)類固態(tài)磁流變膠的應(yīng)用都非常有價值。研究磁流變塑性體在剪切模式下的蠕變回復(fù)行為可以深入分析其在常應(yīng)力作用下的變形機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明磁場和溫度對磁流變塑性體的時間相關(guān)力學(xué)性能有很大的影響。特別地，磁流變塑性體的蠕變應(yīng)變在930mT磁場條件下隨著溫度的增加而降低，這種現(xiàn)象與無場條件下得出的

7、結(jié)論相反。我們提出一個假設(shè)來解釋磁流變塑性體這種有趣的溫度效應(yīng)。此外我們還發(fā)現(xiàn)不同的顆粒分布的磁流變塑性體的蠕變回復(fù)曲線也表現(xiàn)出很大的差別，這從另一個角度反映了磁流變塑性體的顆粒預(yù)結(jié)構(gòu)化過程。
　　之前的研究表明，擠壓增強(qiáng)效應(yīng)會極大地增加磁流變液的屈服應(yīng)力，研究磁流變材料在擠壓模式下的力學(xué)性能對于磁流變機(jī)理的研究和實(shí)際應(yīng)用都具有很大的意義。然而目前尚未有關(guān)于磁流變膠在擠壓模式下的力學(xué)性能研究的報道?；诖?，我們對磁流變塑性體的擠壓

8、流動行為（包括準(zhǔn)靜態(tài)壓縮拉伸行為和振蕩擠壓行為）進(jìn)行了系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮拉伸過程都可以被分成彈性變形，應(yīng)力松弛和塑性流動三個區(qū)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明壓縮屈服應(yīng)力和拉伸屈服應(yīng)力對磁場，顆粒分布和顆粒含量都十分敏感。由于高分子基體的存在，磁流變塑性體在擠壓模式下的屈服應(yīng)力要高于磁流變液。我們發(fā)現(xiàn)磁流變塑性體在振蕩擠壓模式下的滯回曲線是不對稱的，這種不對稱性來自于拉伸和壓縮行為之間的差異。另外，磁流變塑性體振蕩擠壓行為也受磁場和顆粒

9、含量的影響，但是顆粒分布對其滯回曲線的影響并不明顯。
　　電化學(xué)阻抗譜方法也是研究材料微結(jié)構(gòu)演化的有效手段，于是我們還用阻抗譜方法研究了磁流變塑性體的磁致微結(jié)構(gòu)機(jī)理。通過比較兩種不同顆粒分布（各向同性和各向異性）的磁流變塑性體的阻抗譜，提出了一個平衡電路模型來分析不同的阻抗響應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)各向異性的磁流變塑性體的阻抗譜對磁場十分敏感。在磁場作用下，電子擴(kuò)散效應(yīng)將被抑制。進(jìn)一步地，磁流變塑性體在磁場作用下的導(dǎo)電行為為基體中彈性的存在提