電流變彈性體的制備及其力學(xué)性能測(cè)試

白 泉，程玉蘭，王高升

（湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101）

電流變彈性體的制備及其力學(xué)性能測(cè)試

白 泉，程玉蘭，王高升

（湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101）

采用硅油、淀粉和硅橡膠作為原材料，采用不同的比例和在不同的條件下，制備了兩種類型電流變彈性體，并將其進(jìn)行了力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試.通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電流變效應(yīng)存在于電流變彈性體中，表明，它具有剛度可控的特征.電流變彈性體響應(yīng)快速、可逆可控、穩(wěn)定性好且不易沉降，將具有廣泛的潛在工程應(yīng)用前景.

電流變彈性體；力學(xué)性能；電流變效應(yīng)

0 引 言

電流變材料是一種流變性能隨著外部電場(chǎng)變化而變化的一種智能材料.這種材料在外加電場(chǎng)的作用下，它的彈塑性、表觀粘度、屈服應(yīng)力等都會(huì)發(fā)生顯著地可逆變化；同時(shí)，電場(chǎng)便于控制和產(chǎn)生，因而電流變材料在工業(yè)部門中擁有廣泛的應(yīng)用前景.電流變材料中的一個(gè)新分支——電流變彈性體，主要由可以極化的固體粒子和高分子聚合物組成.固體粒子在高分子聚合物中被鎖住，根植在基體中，克服了電流變液的易沉降和電流變效應(yīng)不穩(wěn)定現(xiàn)象.由于受到電場(chǎng)作用，被極化的固體粒子互相之間產(chǎn)生了相互作用力，使材料的粘彈性發(fā)生了變化，顯示出電流變效應(yīng)［1－3］.由于外加電場(chǎng)可以控制電流變彈性體的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)特性，因而近年來(lái)，它的制備和研究受到了多數(shù)研究者的極度關(guān)注［4－5］.

根據(jù)電流變彈性體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的不同，可以將其分為兩類：各向異性和各向同性.各向異性的電流變彈性體在固化過(guò)程中施加電場(chǎng)，能利用電流變效應(yīng)，使顆粒在高分子聚合物基體中形成有序結(jié)構(gòu)，即電流變彈性體中極化的粒子在兩級(jí)間產(chǎn)生了粗線條狀、纖維狀的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)固化后呈有序狀地被保留在基體中；而各向同性的電流變彈性體材料的固化過(guò)程是在無(wú)電場(chǎng)的條件下進(jìn)行，讓它自然固化，因此顆粒是處于無(wú)規(guī)則排列狀態(tài)，自由的分布在基體材料中.

本文制備的電流變彈性體采用是液態(tài)硅橡膠、淀粉和硅油，并將它們按照不同的配方比例混合，在不同場(chǎng)強(qiáng)作用下進(jìn)行固化而得，此電流變彈性體制備成本低廉，過(guò)程簡(jiǎn)捷，在普通環(huán)境中也能生產(chǎn)和使用.為了對(duì)比兩種類型的電流變彈性體的性能特點(diǎn)，我們將其進(jìn)行了力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試和微觀組織觀察.通過(guò)測(cè)試分析，尋找優(yōu)化電流變彈性體的配方和制備方法，為將來(lái)電流變彈性體在振動(dòng)控制、航空航天、汽車和建筑方面等領(lǐng)域的應(yīng)用，能提供綜合性能良好的電流變彈性體材料.

1 基體材料和分散相材料的選擇

一般高分子聚合物，是制備電流變彈性體的首選材料，不同聚合物的熱力學(xué)性質(zhì)在固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生直接的影響.固化時(shí)，流變顆粒在基體中自由移動(dòng)，會(huì)生成能量消耗最低的穩(wěn)定狀態(tài)，因此對(duì)高分子聚合物的要求就是具有低粘性［6］；使用時(shí)，還需要電流變彈性體具有較好的耐磨性；同時(shí)高分子聚合物來(lái)代替電流變液中油類的液態(tài)基體作為基體材料，能避免易沉降、穩(wěn)定性差、顆粒易磨損等問(wèn)題.綜合考慮，選擇人造橡膠作為基體材料，因?yàn)樗€具有結(jié)構(gòu)可控和性能穩(wěn)定等突出特點(diǎn).

與電流變液相似，分散相（可極化的粒子）會(huì)對(duì)產(chǎn)生電流變效應(yīng)之后的穩(wěn)定性好壞起著關(guān)鍵作用.目前來(lái)說(shuō)，具有較好的電流變性能的分散顆粒材料，應(yīng)該是多層包覆材料、無(wú)機(jī)材料以及有機(jī)材料等［7－10］，這些材料都是具有較高的介電常數(shù)和較低的電導(dǎo)率的固體顆粒.淀粉，是普通生物高聚物中最豐富的碳水化合物，屬于環(huán)境友好材料.因?yàn)榈矸郾旧砻芏刃　⒃诨w中不容易聚集且它的內(nèi)部有少部分的水分存在（能夠促進(jìn)極化），最重要的是在常溫下分散相的性能相對(duì)穩(wěn)定.因此，在本文的制備中，選擇淀粉作為分散相材料.

2 制備電流變彈性體

根據(jù)有無(wú)電場(chǎng)情況，分別進(jìn)行制備電流變彈性體，得到兩種類型［11］：在有電場(chǎng)情況下制備的電流變彈性體：主要是由極性顆粒和彈性體基體組成，它們的混合物在形成鏈狀及其固化的過(guò)程中，需要有電場(chǎng)的參與；在無(wú)電場(chǎng)情況下制備的電流變彈性體：由于沒(méi)有電場(chǎng)的參與，混合物在固化過(guò)程中，顆粒的朝向就會(huì)顯示是無(wú)規(guī)則排列的，并不會(huì)沿電場(chǎng)方向聚集形成鏈狀結(jié)構(gòu).

文中制備了室溫下固化人造硅橡膠為基體的電流變彈性體.基體材料選擇的是由江蘇溧陽(yáng)飛達(dá)硅橡膠粘合劑廠提供的型號(hào)為704硅橡膠，它的特點(diǎn)是在常溫下固化快速；分散相材料的選擇是市售的，由長(zhǎng)沙市食品淀粉廠提供的普通不溶性玉米淀粉；輔助材料選擇的是硅油，目的是用來(lái)稀釋硅橡膠，可以在攪拌的過(guò)程中增加它的流動(dòng)性.

將上述材料進(jìn)行不同的配方比例，我們可以得到幾種電流變彈性體樣品.具體如下：

①量取2杯10%的淀粉、45%液態(tài)硅橡膠和45%的硅油作為1＃配方；

②量取2杯20%的淀粉、50%液態(tài)硅橡膠和30%的硅油作為2＃配方.

本實(shí)驗(yàn)制備的電流變彈性體過(guò)程：通過(guò)將淀粉和液態(tài)硅橡膠混合均勻，靜置一段時(shí)間，目的是便于顆粒移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢?，延長(zhǎng)其運(yùn)動(dòng)時(shí)間；再將硅油添加到混合物當(dāng)中，不斷攪拌，目的是降低顆粒的運(yùn)動(dòng)阻力，提高運(yùn)動(dòng)速度；我們最后將不同配方的混合物，倒入到模具（內(nèi)徑為φ42的聚四氟乙烯套筒）中后，其中一部分靜置于平行電場(chǎng)中，圖1即為施加電場(chǎng)示意圖，通過(guò)調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源大小，來(lái)得到不同電場(chǎng)下固化的有場(chǎng)電流變彈性體.電場(chǎng)的產(chǎn)生是由直流穩(wěn)壓電源和高壓放大器與兩塊帶有導(dǎo)線的鋁合金板以及電阻形成一個(gè)電流回路；另一部分放在沒(méi)有電場(chǎng)的對(duì)制備電流變彈性體的力學(xué)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和對(duì)比分析，來(lái)優(yōu)化電流變彈性體的配方和制備方法，為將來(lái)研制電流變彈性體減振和隔振裝置，能提供綜合性能良好的電流變彈性體材料.

本文中制備的電流變彈性體主要材料是由硅橡膠、淀粉和硅油，將三者按照規(guī)定的比例配方混合成膠狀電流變彈性體［11］.基體材料選擇的是704硅橡膠（江蘇溧陽(yáng)飛達(dá)硅橡膠粘合劑廠，特點(diǎn)是在常溫下可以快速固化）；分散材料選擇的是不溶性玉米淀粉作為固體粒子（長(zhǎng)沙市食品淀粉廠，市售，精制淀粉）；再添加一定比例的硅油，目的是用來(lái)稀釋硅橡膠，增加電流變彈性體在攪拌過(guò)程中的流動(dòng)性）.

將硅橡膠、淀粉和硅油根據(jù)不同比例，可配備幾種配方的電流變彈性體.具體制備過(guò)程如下：第一種配方，命名為1＃配方：用量杯量取10%的淀粉、45%的硅油和45%液態(tài)硅橡膠，準(zhǔn)備2份，第二種配方，命名為2＃配方：20%的淀粉、30%的硅油和50%液態(tài)硅橡膠，準(zhǔn)備2份；接著用筷子等便于攪動(dòng)的物體，分別將1＃配方中10%的淀粉和45%的硅油與2＃配方中20%的淀粉和30%的硅油攪拌均勻，靜置30min；再分別將上述的兩種混合物分別加入到45%液態(tài)硅橡膠內(nèi)和50%液態(tài)硅橡膠內(nèi)，不斷攪拌直至淀粉顆粒、硅油和硅橡膠三者充分混合均勻，這樣得到1＃配方和2＃配方的膠狀電流變彈性體.

本實(shí)驗(yàn)制備的電流變彈性體過(guò)程：通過(guò)將淀粉和液態(tài)硅橡膠混合均勻，靜置一段時(shí)間，目的是便于顆粒移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢?，延長(zhǎng)其運(yùn)動(dòng)時(shí)間；再將硅油添加到混合物當(dāng)中，不斷攪拌，目的是降低顆粒的運(yùn)動(dòng)阻力，提高運(yùn)動(dòng)速度；我們最后將不同配方的混合物，倒入到模具（內(nèi)徑為φ42的聚四氟乙烯套筒）中后，其中一部分靜置于平行電場(chǎng)中，圖1即為施加電場(chǎng)示意圖，通過(guò)調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源大小，來(lái)得到不同電場(chǎng)下固化的有場(chǎng)電流變彈性體.電場(chǎng)的產(chǎn)生是由直流穩(wěn)壓電源和高壓放大器與兩塊帶有導(dǎo)線的鋁合金板以及電阻形成一個(gè)電流回路；另一部分放在沒(méi)有電場(chǎng)的地方，讓它自然固化.兩者都是在常溫下固化，經(jīng)過(guò)24h以后，兩種不同類型的電流變彈性體制備完成.圖2即是整個(gè)電流變彈性體的制作全過(guò)程.

圖1 電流變彈性體施加電場(chǎng)示意圖

圖2 電流變彈性體具體制作過(guò)程圖

我們分別拿兩種類型的電流變彈性體樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果如圖3所示，圖3（a）是沒(méi)有電場(chǎng)的情況下制備的電流變彈性體微觀結(jié)構(gòu)圖，它顯示跟預(yù)期的一樣，由于沒(méi)有電場(chǎng)的作用，分散相粒子在基體內(nèi)的朝向是雜亂無(wú)章的；圖3（b）是在有電場(chǎng)情況下制備的電流變彈性體微觀結(jié)構(gòu)圖，觀察到分散相粒子正在逐漸形成有序的結(jié)構(gòu).

圖3 兩種類型電流變彈性體的微觀結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

作為智能材料的一種，強(qiáng)度值，硬度值、拉伸量和場(chǎng)控動(dòng)柔量等都可以作為衡量電流變彈性體的性能指標(biāo)，其中場(chǎng)控動(dòng)柔量是能體現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)電流變彈性體材料特性的主要參數(shù).彈性體中的力學(xué)性能是本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的性能指標(biāo)［12－13］.

本文設(shè)計(jì)的測(cè)試電流變彈性體力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖4所示.所使用的儀器是電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為CMT5305，由深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司出產(chǎn).測(cè)試時(shí)，分別將1＃配方的試樣塊1（有場(chǎng)制備彈性體）和試樣塊2（無(wú)場(chǎng)制備彈性體）及2＃配方的試樣塊3（有場(chǎng)制備彈性體）和試樣塊4（無(wú)場(chǎng)制備彈性體）放在微機(jī)控制的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn).

圖4 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖5為電流變彈性體的承受載荷與位移關(guān)系變化的曲線圖，通過(guò)比較圖5中的4個(gè)圖，可以發(fā)現(xiàn)：試樣塊1和3（有場(chǎng)制備彈性體）的位移變化量與有無(wú)添加電場(chǎng)有關(guān)，如果在承受相同的載荷情況下，有電場(chǎng)時(shí)的位移變化量要小于沒(méi)有施加電場(chǎng)的位移變化量；而無(wú)電場(chǎng)制備得到的試樣塊2和4，在相同的條件下，位移變化量沒(méi)有明顯的變化.這個(gè)結(jié)果表明，電流變效應(yīng)確實(shí)存在于電流變彈性體中，且具有剛度可控的特性.通過(guò)將圖5（a）與圖5（c）、圖5（b）與圖5（d）進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到在承載能力方面，不管是無(wú)場(chǎng)制備的電流變彈性體還是有場(chǎng)制備的電流變彈性體在有無(wú)電場(chǎng)情況下，都是1＃配方的試樣塊大于2＃配方的試樣塊，表明本文所制備的1＃配方電流變彈性體要優(yōu)于2＃配方.但也注意到，由于在制備過(guò)程中，電流變彈性體出現(xiàn)了固化不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致試樣塊1和3（有場(chǎng)制備彈性體）的承載能力低于試樣塊2和4（無(wú)場(chǎng)制備彈性體）的承載能力.

圖5 電流變彈性體力－位移關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

本文制備的兩種類型電流變彈性體經(jīng)過(guò)微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)有場(chǎng)制備的電流變彈性體內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)形成鏈狀結(jié)構(gòu)，無(wú)場(chǎng)制備的電流變彈性體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是無(wú)序的.由于電流變效應(yīng)存在于電流變彈性體中，顯示出有場(chǎng)制備的電流變彈性體在有電場(chǎng)時(shí)剛度大些，無(wú)電場(chǎng)時(shí)，剛度相對(duì)小些.表明，電流變彈性體具有剛度可控的特性.

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Design of Force Loading Monitor and Control System Based on LabVIEW

BAI Quan，CHENG Yu－lan， WANG Gao－sheng
（College of Mechanical Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China）

Two different kinds of ER elastomers are prepared by using siliconoil，starch and silicone rubber with different proportions and under different conditions.and their mechanical properties are measured.The electrorheological effect of ER elastomer is verified experimentally and the results show that the ER elastomers have properties of controllable stiffness.The ER elastomers are superior to ER fluids in sedimentation，coagulation，and stability of the particles.Furthermore，the ER elastomers are more flexible，light，and easily prepared.The ER elastomers have more potential application in engineering filed.

ER elastomer；mechanical property；electrorheological effect

TB535

A

1671－119X（2014）02－0030－04

2014－01－12

湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目（13C177），湖南工程學(xué)院校級(jí)青年科研課題（xj1104）

白 泉（1981－），女，碩士，助教，研究方向：智能材料與結(jié)構(gòu)、振動(dòng)力學(xué).