橡膠基軟磁復(fù)合薄膜壓磁性能機(jī)理模型的適應(yīng)性研究

蔣達(dá)國，朱正吼

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橡膠基軟磁復(fù)合薄膜壓磁性能機(jī)理模型的適應(yīng)性研究

*蔣達(dá)國1，朱正吼2

（1.井岡山大學(xué)數(shù)理學(xué)院，江西，吉安 343009；2.南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西，南昌 330031 ）

利用模壓成型法制備了丁基橡膠壓磁復(fù)合薄膜，并研究了粉體粒徑和薄膜厚度對其壓磁性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：復(fù)合薄膜的阻抗隨著粉體粒徑和薄膜厚度的減小而增大；阻抗變化幅度隨著粉體粒徑的減小呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，隨著薄膜厚度的減小而減小。用復(fù)合薄膜的壓磁性能的等效電路模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析，所得結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。

復(fù)合薄膜；壓磁性能；粉體粒徑；薄膜厚度

0 引言

鐵磁性材料受到機(jī)械力的作用下發(fā)生應(yīng)變，使其內(nèi)部磁化狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致阻抗發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象稱壓磁效應(yīng)。利用壓磁效應(yīng)可以開發(fā)出各種壓磁式傳感器，包括壓磁式非接觸扭矩傳感器、壓磁式非晶帶加速度傳感器和壓磁式壓力傳感器等[1-2]。橡膠粘結(jié)磁性材料，是將經(jīng)偶聯(lián)處理的磁粉和作為載體的粘結(jié)劑及少量的添加劑，按一定比例配合，經(jīng)軋制、壓延、注射或擠出加工而成的一種復(fù)合式功能材料。本文將磁性粉體彌散鑲嵌在高電阻非磁性材料的丁基橡膠中，制備了兩相組織的復(fù)合薄膜，這種復(fù)合薄膜電阻率高，在低頻時(shí)具有優(yōu)良的壓磁性能。

文獻(xiàn)[3-7]用趨膚效應(yīng)對橡膠基復(fù)合薄膜的壓磁性能進(jìn)行了定性的分析，并未構(gòu)建復(fù)合薄膜壓磁性能的機(jī)理模型，并且，復(fù)合薄膜的磁導(dǎo)率低，電阻率大，其趨膚深度比復(fù)合薄膜的厚度要大，因此，用趨膚效應(yīng)分析復(fù)合薄膜的壓磁性能，有其局限性。

文獻(xiàn)[8-10]構(gòu)建了復(fù)合薄膜壓磁性能的等效電路模型，并用此模型對復(fù)合薄膜的電阻、電抗、阻抗等隨頻率和壓應(yīng)力的關(guān)系以及磁性粉體含量對復(fù)合薄膜壓磁性能的影響規(guī)律進(jìn)行了理論推導(dǎo)，所得結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符。本文用此等效電路模型進(jìn)一步分析了粉體粒徑和薄膜厚度對復(fù)合薄膜壓磁性能的影響規(guī)律，所得結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該等效電路模型的普適性。文獻(xiàn)[5-6]研究了磁性粉體粒徑和薄膜厚度對硅橡膠基復(fù)合薄膜壓磁性能的影響規(guī)律，其實(shí)驗(yàn)結(jié)論與本文相同，因此，電阻和電容串聯(lián)等效電路模型可以比較全面地解釋復(fù)合薄膜壓磁性能的規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

將磁性粉體放入鈦酸酯（NDZ－105）的THF溶液中進(jìn)行表面處理；然后將粉體與丁基橡膠按3:1的質(zhì)量比混合均勻，加入硫磺、石蠟等添加劑充分混煉；將混煉好的復(fù)合材料放在兩張銅箔之間，加壓成型；最后在160 ℃下固化1 h，得到復(fù)合薄膜。

用4284A阻抗儀測試復(fù)合薄膜的阻抗，電流幅值為10 mA；用電子數(shù)顯千分尺測薄膜的厚度。

壓磁效應(yīng)測試方法如圖1所示，處于兩片銅箔之間的薄膜有效面積為6 mm×5 mm，在薄膜中心區(qū)施加點(diǎn)壓力，壓頭直徑為5 mm[11]。兩片銅箔端部與4284型阻抗分析儀連接，壓應(yīng)力的方向和電流的方向均沿薄膜的厚度方向。

圖1 壓磁性能的測試原理圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 等效電路模型

復(fù)合薄膜壓磁性能的等效電路模型為電阻與電容串聯(lián)模型[7-9]，其阻抗：

式中：、、、、、分別為薄膜的電阻、電抗、電阻率、電容、厚度和面積；為通過薄膜的正弦交流電頻率。

2.2 粉體粒徑對壓磁性能的影響

圖2是薄膜厚度為210 μm，測試頻率為5 kHz時(shí)，粉體粒徑對復(fù)合薄膜壓磁性能的影響曲線。從圖中可知，當(dāng)壓應(yīng)力不變時(shí)，三種薄膜的阻抗都隨著粉體粒徑的減小而增大，阻抗變化幅度都隨著粉體粒徑的減小呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

因?yàn)?，粉體粒徑越小，粉體在橡膠中的分散越好，復(fù)合薄膜的絕緣性能越好，其電阻率和電阻越大，同時(shí)，粉體在橡膠中的分散越好，復(fù)合薄膜的介電常數(shù)和電容越大，所以，根據(jù)式（2），復(fù)合薄膜的阻抗隨著粉體粒徑的減小而增大。

2.3 薄膜厚度對壓磁性能的影響

圖3是粉體粒徑為18 μm，測試頻率為10 kHz時(shí)，薄膜厚度對壓磁性能的影響曲線。從圖中可知，當(dāng)壓應(yīng)力不變時(shí)，三種復(fù)合薄膜的阻抗都隨著薄膜厚度的減小而增大，阻抗變化幅度都隨著薄膜厚度的減小而減小。

根據(jù)電阻定律，電阻與厚度成正比，根據(jù)平行板電容器的電容公式，電容與厚度成反比，由于復(fù)合薄膜的阻抗主要由電容決定，所以，根據(jù)式（2），復(fù)合薄膜的阻抗隨著薄膜厚度的減小而增大。

3 結(jié)　論

以磁性粉體為磁性增強(qiáng)材料，以丁基橡膠為基體，利用模壓成型法制備的復(fù)合薄膜，其阻抗隨著粉體粒徑和薄膜厚度的減小而增大；阻抗變化幅度隨著粉體粒徑的減小呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，隨著薄膜厚度的減小而減小。用復(fù)合薄膜壓磁性能的電阻和電容串聯(lián)等效電路模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析，所得結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符，驗(yàn)證了此模型在柔性軟磁復(fù)合薄膜壓磁性能的普適性。

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Suitability of mechanism model of piezomagnetic effect of rubber-based soft magnetic composite film

*JIANG Da-guo, ZHU Zheng-hou

(1. School of Mathematics and Physics, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Nanchang University, Nanchang, Jiangxi 330031, China)

Composite film was prepared from the Fe78Si9B13amorphous powders as reinforced material and butyl rubber as matrix by means of molding to shape, and influences of particle size and film thickness on the piezomagnetic property is also studied. The results showed that the impedance of composite film increases with the smaller particle size and the thinner film thickness. The results also showed that the rangeability of impedance increases first and then decreases with decreasing particle size and decreases with the thinner film thickness. The experimental results are theoretically analyzed with equivalent circuit model of piezomagnetic property of composite film and the conclusions are consistent with the experimental results.

composite film; piezomagnetic property; particle size; film thickness

1674-8085(2013)05-0055-05

O484.4;TB333

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.05.013

2013-06-05；

2013-08-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60961001)

*蔣達(dá)國(1968-），男，江西吉安人，教授，碩士，主要從事復(fù)合材料研究(E-mail:jgsxy_jdg@shou.com);

朱正吼(1969-），男，安徽樅陽人，教授，博士，主要從事材料學(xué)研究(E-mail:z00708@sina.com).