硅橡膠基磁流變彈性體的制備及其力學(xué)性能測(cè)試

魏克湘,黃河清,朱石沙

(1湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湘潭 411101;2湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湘潭 411105)

硅橡膠基磁流變彈性體的制備及其力學(xué)性能測(cè)試

魏克湘1,2,黃河清2,朱石沙2

(1湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湘潭 411101;2湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湘潭 411105)

采用硅橡膠和羰基鐵粉制備了有場(chǎng)和無(wú)場(chǎng)作用下的磁流變彈性體材料,并對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,無(wú)論是有場(chǎng)制備還是無(wú)場(chǎng)制備的磁流變彈性體,在施加外磁場(chǎng)后,其承載能力和剛度都有所提高,但有場(chǎng)制備彈性體的可調(diào)范圍要大于無(wú)場(chǎng)制備的彈性體,其綜合性能要優(yōu)于無(wú)場(chǎng)制備的彈性體.

磁流變彈性體;力學(xué)特性;材料制備

0 引言

磁流變彈性體(magnetorheological elastomers)是磁流變材料的一個(gè)新的分支,是磁流變液的固體模擬,通常是通過(guò)物理化學(xué)手段,將磁性顆粒散布在粘塑性態(tài)的高分子聚合物基體中固化而成.由于其顆粒被固定在基體中,不存在顆粒沉降問題[1].同時(shí),在外加磁場(chǎng)作用下,彈性體內(nèi)部的顆粒被磁化后,會(huì)產(chǎn)生相互作用力,使材料的彈性、剪切儲(chǔ)能模量與損耗因子等發(fā)生變化,宏觀表現(xiàn)即為阻尼和剛度可控.磁流變彈性體在克服了磁流變液的易沉降、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)的同時(shí),保留了磁流變材料剛度、阻尼可控的特性,兼有磁流變液和彈性體的優(yōu)點(diǎn)[2],因而在振動(dòng)控制的某些領(lǐng)域有望具有比磁流變液更為廣泛的應(yīng)用前景[3-8].

本文采用硅橡膠和羰基鐵粉制備了不同場(chǎng)強(qiáng)作用下的磁流變彈性體材料,并對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試.通過(guò)對(duì)所制備的磁流變彈性體的力學(xué)特性進(jìn)行對(duì)比分析,以優(yōu)化磁流變彈性體的配方和制備方法,為后繼磁流變彈性體減振和隔振裝置的研制提供綜合性能良好的磁流變彈性體材料.

1 磁流變彈性體材料的制備

作為一種新興的智能材料,目前磁流變彈性體還沒有統(tǒng)一的制備方法.從制備時(shí)是否加磁場(chǎng)方面考慮,磁流變彈性體的基本制備方法主要分為有場(chǎng)制備和無(wú)場(chǎng)制備兩種[8]:有場(chǎng)制備主要是在基體固化過(guò)程中施加一個(gè)外部磁場(chǎng),由于此時(shí)基體尚未固化而呈液態(tài)或粘塑性體狀態(tài),鐵磁性顆粒還可以移動(dòng),所以能利用磁流變效應(yīng)(即鐵磁性顆粒在磁場(chǎng)方向形成鏈或柱狀聚集結(jié)構(gòu)),使顆粒在高分子聚合物基體中形成有序結(jié)構(gòu),混合物固化后,這種有序結(jié)構(gòu)就保留在基體中.因此有場(chǎng)制備的磁流變彈性體是一種各向異性的彈性體材料;而無(wú)場(chǎng)制備的磁流變彈性體的特點(diǎn)在于基體固化過(guò)程中,不施加外磁場(chǎng),這時(shí)顆粒在基體中的朝向?qū)⒊孰S機(jī)分布,故無(wú)場(chǎng)制備的磁流變彈性體是一種各向同性的彈性體材料.

磁流變彈性體的主要成分包括高分子聚合物基體材料和鐵磁性顆粒.常用的基體材料有硅橡膠和天然橡膠等兩大類.用前者制備的彈性體較軟,具有相對(duì)較高的磁流變效應(yīng),而用后者制備的彈性體較硬,機(jī)械綜合性能較好.磁性顆粒的選擇與磁流變液相似,要求顆粒具有高磁導(dǎo)率、低剩磁和高飽和磁化強(qiáng)度.常用的磁性顆粒是球狀、直徑幾微米的羰基鐵粉.

文中的磁流變彈性體配方選用硅橡膠、羰基鐵粉和硅油組成.基體材料選用江蘇溧陽(yáng)飛達(dá)硅橡膠粘合劑廠的704硅橡膠,該硅橡膠能在常溫下快速固化;磁性顆粒采用德國(guó)BASF公司的直徑為3～8μm左右的球形羰基鐵粉,鐵粉純度為99.5%.添加一定比例的硅油主要是稀釋硅橡膠,提高磁流變彈性體在攪拌過(guò)程中的流動(dòng)性.

具體制備過(guò)程如下:首先量取一定體積分?jǐn)?shù)的硅橡膠和硅油,將兩者攪拌均勻后,再加入一定比例的羰基鐵粉,不斷攪拌直至得到分布均勻的膠狀磁流變彈性體;然后把膠狀磁流變彈性體倒入圖1中內(nèi)徑為Φ42的聚四氟乙烯套筒模具內(nèi);通過(guò)圖1中的加壓軸施加給膠狀磁流變彈性體一個(gè)垂向壓力,使磁流變彈性體在擠壓力作用下固化.線圈鐵芯、上導(dǎo)磁塊、下導(dǎo)磁塊、加壓軸與套筒模具內(nèi)的磁流變彈性體組成一個(gè)電磁回路,控制通過(guò)線圈繞組的電流大小,就可以得到不同磁場(chǎng)作用下所制備的磁流變彈性體.

圖1 磁流變彈性體制備模具

已有的文獻(xiàn)證明磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)在27%時(shí)磁流變彈性體將有最佳的磁控性能[9],故本文選用硅橡膠、硅油和羰基鐵粉的體積比為68%、5%和27%.所制備的磁流變彈性體如圖2所示.

圖2 磁流變彈性體的制備

圖3為電鏡下觀察到的有場(chǎng)制備和無(wú)場(chǎng)制備磁流變彈性體的微觀結(jié)構(gòu),其中圖3(a)圖為無(wú)場(chǎng)制備(控制電流I=0 A)的彈性體微觀組織結(jié)構(gòu)照片,(圖3b)圖為有場(chǎng)制備(控制電流I=1 A)的彈性體微觀組織結(jié)構(gòu)照片.由圖中可以看出,有場(chǎng)制備的磁流變彈性體沿著磁場(chǎng)方向,顆粒形成明顯的鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu),而無(wú)場(chǎng)制備的磁流變彈性體由于沒有磁場(chǎng)的預(yù)結(jié)構(gòu)化作用,鐵磁顆粒隨機(jī)分布在基體內(nèi).

圖3 磁流變彈性體的微觀結(jié)構(gòu)

2 磁流變彈性體的力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)所制備的磁流變彈性體進(jìn)行擠壓受力測(cè)試,目的在于證實(shí)磁致效應(yīng)的存在以及初步確定試樣所能承受的最大壓載荷.試樣直徑Φ 42 mm,壓縮規(guī)定應(yīng)變?yōu)?.20%,壓縮偏置屈服應(yīng)變?yōu)?.50%.在微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)CMT5305)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn),得到受力(載荷)-位移(形變)關(guān)系曲 線如圖4所示.

圖4 磁流變彈性體的受力-位移關(guān)系曲線

由圖4可知,無(wú)論是有場(chǎng)制備還是無(wú)場(chǎng)制備的磁流變彈性體,在相同的壓力載荷作用下,磁流變彈性體在有磁場(chǎng)作用時(shí)的位移變化量比無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)的位移變化量小,表明加上磁場(chǎng)后磁流變彈性體的剛度變大了,從而證實(shí)了磁流變彈性體磁致效應(yīng)的存在,故可以通過(guò)改變外加磁場(chǎng)大小來(lái)控制其剛度的變化.同時(shí),對(duì)比圖 4(a)和圖4(b)還可以看出,在沒加磁場(chǎng)時(shí),有場(chǎng)制備和無(wú)場(chǎng)制備的彈性體的受力-形變關(guān)系相差不大.但在磁場(chǎng)作用下,有場(chǎng)制備彈性體的剛度要比無(wú)場(chǎng)制備彈性體的剛度大,表明有場(chǎng)制備彈性體的剛度可調(diào)范圍要大于無(wú)場(chǎng)制備的彈性體,其性能要優(yōu)于無(wú)場(chǎng)制備的彈性體.

圖5 磁流變彈性體的最大承載力破壞試驗(yàn)曲線

圖5為有場(chǎng)制備磁流變彈性體的最大承載力破壞試驗(yàn)曲線.如圖所示,磁流變彈性體在載荷為0.8 kN時(shí)發(fā)生破壞,故該磁流變彈性體的斷裂強(qiáng)度(即最大壓載荷)為

表明該磁流變彈性體具有較好的力學(xué)性能(普通橡膠的屈服強(qiáng)度為1～7 MPa).

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用硅橡膠、羰基鐵粉和硅油制備了有場(chǎng)和無(wú)場(chǎng)作用下的磁流變彈性體材料,并對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,無(wú)論是有場(chǎng)制備還是無(wú)場(chǎng)制備的磁流變彈性體,在施加外磁場(chǎng)后,其承載能力和剛度都有所提高,但有場(chǎng)制備彈性體的可調(diào)范圍要大于無(wú)場(chǎng)制備的彈性體,其綜合性能要優(yōu)于無(wú)場(chǎng)制備的彈性體.

[1]李劍鋒,龔興龍,張先舟,等.硅橡膠基磁流變彈性體的研制[J].功能材料,2006,37(6):1003-1005.

[2]魏克湘,孟光,游 紅,等.磁流變彈性體夾層梁的振動(dòng)響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2009,28(10):81-83.

[3]汪建曉,孟 光.磁流變彈性體研究進(jìn)展[J].功能材料,2006,37(5):706-709.

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[9]Davis L C.Model of Magnetorheological Elastomers[J].Journal of Applied Physics,1999,85(6):3348-3351.

Preparation and Mechanics Properties of MR Elastomers Based on Silicone Rubber

WEI Ke-xiang1,2,HUANG He-qing2,ZHU Shi-sha2
(1.College of Mechanical Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China;2.School of Mechanical Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

MR elastomers consisting of silicone rubber and carbonyl iron particles are prepared with or without magnet fields.Their micro-structure and mechanics properties are investigated.The results show that the carrying capacity and the stiffness of both MR elastomers increase when subjected to a magnet field.But the controllable range and combination property of the MR elastomers prepared with magnet fields are better than that of the MR elastomers prepared without magnet fields.

Magnetorheological(MR)elastomers;mechanics properties;material prepared

TB381

A

1671-119X(2010)01-0035-04

2009-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10802029);湖南工程學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(0853)

魏克湘(1973-)男,博士,副教授,研究方向:智能結(jié)構(gòu)與振動(dòng)控制.