取向磁場強度對磁流變彈性體力磁性能的影響*

郭子堯，高 偉，楊育梅

(蘭州理工大學(xué) 理學(xué)院，蘭州 730050)

0 引 言

磁流變彈性體(Magnetorheological Elastomers，縮寫為MRE)是在磁流變液的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型智能材料，其主要采用具有粘塑性的高分子聚合物代替磁流變液中的非磁性液體作為基體、微米級的軟磁性顆粒作為填充相通過一系列化學(xué)和物理手段固化后得到。該類智能材料不僅保持了磁流變液的響應(yīng)快、可逆性好等特性，而且解決了磁流變液穩(wěn)定性差、易磨損、易沉降等不良特性[1-2]。MRE的變形行為、剪切儲能模量以及損耗因子等在磁場作用下具有連續(xù)、快速可調(diào)的特性，使得其在建筑、橋梁、汽車隔振等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。

近年來，MRE材料的研究發(fā)展得到了許多學(xué)者的關(guān)注。在制備材料選取方面，硅橡膠由于具有模量低、流動性好以及成本低等優(yōu)點被廣泛選用為基體材料[3]。除此之外，天然橡膠[4]、異丁烯橡膠[5]、熱塑性聚氨酯橡膠[6]和混合橡膠[7]等也常被作為基體制備MRE。MRE的磁彈性能除與基體的選擇有關(guān)外，填充顆粒的選取也對其具有顯著的影響。羰基鐵粉由于具有高飽和磁化強度和高磁導(dǎo)率等優(yōu)點被作為填充顆粒大量應(yīng)用[8]。另外，F(xiàn)e、Co、Ni納米線[9]、復(fù)合磁性粒子[10]、鐵的氧化物[11]、硬磁粒子[12]、鈷粉[13]和混合顆粒[14]等也作為填充相被用來制備MRE。

此外，MRE的制備方式對其磁彈性能也有著重大的影響。根據(jù)基體材料固化時是否施加磁場，MRE的制備方式分為無場制備和有場制備兩種方式[15]。無場條件下制備的MRE其磁敏顆粒隨機分布于基體中，故為各向同性MRE；而有場條件下制備的MRE由于其內(nèi)部磁敏顆粒被磁化后在基體中成鏈狀分布，固化后，鏈狀結(jié)構(gòu)仍然保留在基體中，故為各向異性MRE。與無場制備的磁流變彈性體相比，有場條件下制備的磁性顆粒呈鏈狀結(jié)構(gòu)的MRE一般具有更高的磁流變效應(yīng)和磁致模量變化[16-18]。Wu等[19]以羰基鐵粉為磁性填充顆粒、聚氨酯為基體且摻入增塑劑鄰苯二甲酸二異辛酯(DOP)制備了的各向異性MRE。研究表明，含70%(質(zhì)量分數(shù))羰基鐵粉和15%DOP的各向異性聚氨酯基MRE的絕對磁流變效應(yīng)達到1.16 MPa，相對磁流變效應(yīng)達到386.7%。Kaleta等[20]以熱塑性塑料為基體、60um的Fe粒子作為磁性填充顆粒分別在有取向磁場和無取向磁場的條件下制備了不同種類的MRE，并對比分析了兩種MRE的性能，結(jié)果表明，各向異性MRE比各向同性MRE擁有更高的磁流變效應(yīng)。Chen和Fan等[21-22]在強磁場條件下，分別以硅橡膠和天然橡膠為基體、羰基鐵粉為磁性顆粒制備了不同種類MRE，并對材料性能進行了研究，結(jié)果表明，在1000mT外加磁場下硅橡膠基MRE的剪切模量可達到3.34MPa，相對磁流變效應(yīng)達到878%；天然橡膠基MRE的剪切模量增加到3.6 MPa，相對磁流變效應(yīng)增加了131%?？梢钥闯?，MRE內(nèi)部顆粒分布對材料的磁致性能具有重要的影響，形成的共識是在有場條件下獲得的材料性能顯著高于無場條件下的情形，然而詳細探討取向磁場的大小對MRE的磁彈性行為的影響及其機制的研究較少。

本文將以硅橡膠為基體、羥基鐵粉為填充相在不同大小的取向磁場中制備了兩種不同配比的MRE，利用準靜態(tài)剪切實驗獲得了所制備樣品的磁彈性能，得到取向磁場的大小對其磁彈性性能的影響規(guī)律，并結(jié)合微結(jié)構(gòu)分布特征對相關(guān)現(xiàn)象進行了解釋。

1 實驗測試及方法

1.1 實驗樣品制備

1.1.1 實驗材料：

本實驗中選用的材料有：硅橡膠，選用上海藹科松科技有限公司的Essil 296；填充磁性顆粒為羥基鐵粉，購置于江蘇天一超細金屬粉末有限公司，型號為RXE，其平均粒徑為1.78 μm；二甲基硅油作為磁性顆粒與硅橡膠接觸的潤滑劑和固化劑，選用了北京海貝思科技有限公司粘度為500 cp的聚二甲基硅氧烷。

1.1.2 樣品制備過程

分別按兩種不同配比稱取一定質(zhì)量的硅橡膠加入燒杯中，然后添加一定質(zhì)量的硅油和鐵粉，樣品各成分配比見表1。稱取結(jié)束后進行充分攪拌至各組分混合均勻，然后將攪拌均勻的材料放入真空箱中進行脫泡處理，5 min后取出脫泡后的材料注入模具中，接著再次放進真空箱中進行二次脫泡處理。5 min后取出模具并將模具放入提前準備好的取向磁場中進行磁化。取向磁場大小分別為100、150、200、250、300 mT。1 h后將模具從磁場中取出并放進干燥箱中在60 ℃的環(huán)境中進行固化2 h，得到MRE樣品。

表1 所制備兩種樣品中各成分組成比

1.2 實驗測試

(1)微結(jié)構(gòu)表征測試：將樣品沿著取向磁場方向剖開，運用掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀測。

(2)準靜態(tài)剪切測試：利用電子萬能試驗機對MRE的準靜態(tài)剪切性能進行表征，其中力傳感器的量程為100N，精度為0.001 N。利用C型電磁鐵對樣品區(qū)域提供均勻磁場，磁極直徑為50 mm，兩磁極之間氣隙為25 mm，通過調(diào)節(jié)線圈中的電流使其產(chǎn)生0～0.5 T連續(xù)變化的磁場。

首先，將所測樣品用膠水粘于兩銅板上40 min，以便樣品在銅板上粘貼牢固(其中一個銅板固定在拉伸機的底座上，另一個銅板連接在拉伸機的橫梁上，當橫梁往上拉伸時粘貼于兩銅板間的樣品就會隨著銅板的相對運動中產(chǎn)生剪切作用)。然后，在不同的均勻磁場中拉伸試驗機的橫梁以得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線(本實驗橫梁移動速度為5 mm/min，橫梁位移為1 mm，線圈中的電流分別為0、2、4、6、8 A)。實驗過程中樣品表面與電磁鐵產(chǎn)生的磁場方向相垂直。實驗裝置如圖1。在實驗測試開始前，為了消除馬林斯效應(yīng)，得到穩(wěn)定的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對測試樣品在零場環(huán)境中循環(huán)剪切3～4次[23]。

圖1 實驗測試裝置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 取向磁場對微結(jié)構(gòu)分布的影響

圖2為不同條件下制備的3種MRE在平行于取向磁場方向的微結(jié)構(gòu)分布圖。從圖中可以看出羥基鐵粉在MRE中呈鏈狀分布，這是由于外加磁場作用下磁敏顆粒之間產(chǎn)生相互作用的磁力，通過形成鏈狀結(jié)構(gòu)減小顆粒之間的磁能。圖2(a)和(b)分別是取向磁場為200mT、硅油含量為4%和7%的兩種MRE的SEM圖像，對比發(fā)現(xiàn)(b)中的磁敏顆粒鏈較圖(a)更清晰一些，幾乎沒有呈小堆聚集的狀態(tài)，而圖(a)會出現(xiàn)小部分聚集狀態(tài)，這說明硅油對于鐵粉顆粒在MRE中的分布狀態(tài)有一定的影響：硅油含量越高鐵粉顆粒在MRE中運動的越快，所形成鏈分布越清晰。圖2(c)是硅油含量為7%、取向磁場為300mT的MRE的 SEM圖像，與圖(b)對比發(fā)現(xiàn)圖(c)中形成的磁敏顆粒鏈較圖(b)更加清晰，這說明磁敏顆粒的移動不僅與硅油含量有關(guān)，取向磁場的大小也起到一定作用，即相同硅油含量下，取向磁場越大，鐵粉顆粒的移動越強，形成的顆粒鏈越清晰。因此可以看出取向磁場的大小與基體中硅油含量對MRE內(nèi)鐵粉顆粒的分布起到至關(guān)重要的作用。

圖2 不同條件下制備的MRE的SEM圖像：(a)200mT取向磁場硅油含量為4%的MRE；(b)200mT取向磁場硅油含量為7%的MRE；(c)300mT取向磁場硅油含量為7%的MRE

2.2 取向磁場對磁致剪切模量的影響

為了探索磁場對MRE力學(xué)行為的影響，圖3給出了不同磁場環(huán)境中取向磁場為300mT硅油含量為4%的MRE的剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。從圖中可以看出，MRE材料在加卸載過程中的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出明顯的滯后行為，且隨著均勻磁場的增大，滯后的現(xiàn)象越明顯，這說明磁流變彈性體在剪切過程中表現(xiàn)出很強的彈塑性行為，并且隨著磁場的增大彈塑性行為越明顯。此外，還可以看出剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率隨著磁場強度的增大而增大，即材料的磁致效應(yīng)隨著磁場的增大而增大。材料剪切后的殘余應(yīng)變也隨著磁場的增大而增大，這是由于在剪切MRE發(fā)生形變的過程中，材料中的鐵粉在磁場的作用下與橡膠之間相互作用消耗了一定的能量，并且隨著磁場的增大，鐵粉顆粒要發(fā)生的移動越大，與橡膠的作用就越大，消耗的能量就越大，因此殘余應(yīng)變就越大。

圖3 不同磁場環(huán)境中取向磁場為300mT硅油含量為4%的MRE的剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

分別對各個樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線的加載段進行線性擬合，得出所測樣品在不同磁場環(huán)境中的剪切模量。圖4和圖5分別給出了在不同磁場環(huán)境下硅油含量為4%和7%的MRE剪切模量隨取向磁場的變化關(guān)系。從圖中可以看出，在同一磁場環(huán)境中，樣品的剪切模量隨著取向磁場的增大而增大。對于硅油含量為4%的樣品，彈性模量隨著取向磁場的增大在不斷增大，當通大小為6A和8A電流的磁場中幾乎呈線性增長，而對于硅油含量為7%的樣品，當取向磁場大于250mT,樣品的彈性模量增長趨勢變緩。同一取向磁場下制備的樣品中，硅油含量為7%的樣品剪切模量明顯高于4%的樣品。這說明硅油對于鐵粉在硅橡膠中的移動起到了很重要的作用，硅油的含量越高，磁敏顆粒與基體之間的摩擦越小，使得磁敏顆粒在基體中的移動更加容易。將未固化的樣品放入取向磁場中進行固化時，鐵粉會在磁場的作用下發(fā)生移動并隨著取向磁場呈鏈狀分布，而7%硅油含量的樣品中由于硅油的作用，鐵粉的聚集程度要低些，以致形成的鏈狀結(jié)構(gòu)更加均勻，進而使得鐵粉顆粒之間相互作用力增強，因而7%硅油含量的樣品剪切模量大。此外，對于同一取向磁場環(huán)境下制備的樣品，其剪切模量隨著外加磁場強度的增大而增大。

圖4 不同磁場環(huán)境中硅油含量為4%的MRE的剪切模量隨取向磁場的變化關(guān)系

圖5 不同磁場環(huán)境中硅油含量為7%的MRE剪切模量隨取向磁場的變化關(guān)系

2.3 取向磁場對磁流變效應(yīng)的影響

為了進一步分析MRE對磁場的依賴特征，引用了MRE的相對磁流變效應(yīng)[24]：

(1)

其中GH為外加磁場強度為H時復(fù)合材料的剪切模量，G0為材料的零場剪切模量。

圖6和圖7分別給出了硅油含量為4%和7%的MRE相對磁流變效應(yīng)隨取向磁場的變化關(guān)系。可以看出，在同一磁場環(huán)境中，MRE的相對磁流變效應(yīng)隨著取向磁場的增大而增大。對于硅油含量為4%的這組樣品，其在4、6、8 A的磁場環(huán)境中，相對磁流變效應(yīng)在取向磁場從100mT增加到250mT的區(qū)間內(nèi)增長趨勢非常明顯，當從250mT增加到300mT時增長趨勢明顯變緩，而在2A的磁場環(huán)境中，其取向磁場從100mT增加到250mT，相對磁流變效應(yīng)增加趨勢較緩，當取向磁場從250mT增加到300mT時，相對磁流變效應(yīng)極速增長；對于硅油含量為7%的樣品，較硅油含量為4%的樣品其增長幅度明顯降低，只有在6A和8A的磁場環(huán)境中，取向磁場從200mT增加到250mT時增加趨勢更加明顯，而當取向磁場從250mT增加到300mT時，其增加趨勢明顯減緩。這是因為在磁化過程中不同大小的取向磁場對磁敏顆粒的移動產(chǎn)生不同的影響，取向磁場越大，磁敏顆粒移動越強，所形成的磁敏顆粒鏈越穩(wěn)定(如圖8所示)。對于硅油含量為4%的MRE，在取向磁場為100～250mT時MRE中的磁敏顆粒并未充分移動以形成穩(wěn)定的磁敏顆粒鏈，當加入一定磁場后，磁敏顆粒將會在磁場的作用下繼續(xù)移動，而對于2A的磁場環(huán)境中，因為磁場的磁力小，不能引起磁敏顆粒大量的移動，因此增長緩慢。而對于硅油含量為7%的MRE由于其本身形成的鏈狀基本穩(wěn)定，因此磁場對其顆粒的移動只起到微小作用，當取向磁場增加到250mT時，磁流變效應(yīng)增長趨勢不明顯，這說明磁敏顆粒在250mT磁場中形成的鏈狀已經(jīng)基本穩(wěn)定。

圖6 不同磁場環(huán)境中硅油含量為4%的MRE相對磁流變效應(yīng)隨取向磁場的變化關(guān)系

圖7 不同磁場環(huán)境中硅油含量為7%的MRE相對磁流變效應(yīng)隨取向磁場的變化關(guān)系

圖8 磁敏顆粒在取向磁場的作用下移動示意圖

2.4 取向磁場對損耗性能的影響

從加卸載曲線中也可以得到MRE材料的損耗因子，其表示在伸長和恢復(fù)的變形過程中復(fù)合材料的能量損耗，定義為[25]：

sinδ=ΔE/πσaεa

(2)

(3)

其中tanδ為材料的損耗因子，σa與εa分別為應(yīng)力與應(yīng)變的幅值；ΔE表示能量耗散密度，可以通過計算加卸載曲線所圍成的面積得到。

圖9和圖10分別給出了硅油含量為4%和7%的MRE的損耗因子隨取向磁場的變化關(guān)系?？梢钥闯觯和淮艌霏h(huán)境中，MRE的損耗因子隨著取向磁場的增大而增大，但是增大的趨勢不同：對于硅油含量為4%的MRE，在所測的幾種磁場環(huán)境中其損耗因子的增長趨勢表現(xiàn)為在取向磁場從150mT增長到200mT時最大，當取向磁場在100～150mT和200～250mT的區(qū)間內(nèi)，損耗因子的增長趨勢幾乎相同，幾乎處于平穩(wěn)階段，這說明取向磁場在100～150mT的區(qū)間內(nèi)對磁敏顆粒的移動作用影響不大，當取向磁場從150mT增加到200mT時使得磁敏顆粒在集體中大規(guī)模移動，形成了較穩(wěn)定的磁敏顆粒鏈。對于硅油含量為7%的樣品，在所測的幾種磁場環(huán)境中其損耗因子的增長趨勢都是在取向磁場從100mT增加到150mT時最大，隨后隨著取向磁場的增大其損耗因子增長趨勢平緩，這是由于在取向磁場從100mT增加到150mT時樣品中的鐵磁顆粒分布較分散，沒有形成較穩(wěn)定的顆粒鏈，但取向磁場增大時，磁敏顆粒會在磁場的作用下大規(guī)模移動，使得磁敏顆粒與基體的摩擦形成更大損耗；當磁場增大到150mT時，由于內(nèi)部的磁敏顆粒鏈已達到基本穩(wěn)定狀態(tài)，磁敏顆粒的移動只是小范圍的移動，因此損耗因子的增長趨勢趨于平緩。通過圖9和圖10對比發(fā)現(xiàn)，在未加磁場環(huán)境中，當取向磁場為300mT時硅油含量為4%的MRE的損耗因子值比硅油含量為7%的MRE大，此說明硅油含量為7%的MRE中磁敏顆粒移動程度更小，所形成的鏈更穩(wěn)定，這與圖2 SEM圖像(b)、(c)中觀察的結(jié)果相似。

圖9 不同磁場環(huán)境中硅油含量為4%的MRE的損耗因子隨取向磁場的變化關(guān)系

圖10 不同磁場環(huán)境中硅油含量為7%的MRE的損耗因子隨取向磁場的變化關(guān)系

3 結(jié) 論

以硅橡膠軟材料為基體，磁性羰基鐵粉顆粒為夾雜相，在不同強度取向磁場下制備了兩種硅橡膠含量不同的MRE，開展了取向磁場對MRE磁彈性能的實驗測試與分析，相關(guān)結(jié)果表明：

(1)在同一磁場環(huán)境中，MRE的剪切模量隨著取向磁場的增大而增大。同一大小取向磁場下制備的MRE中，硅油含量為7%的MRE剪切模量明顯高于4%的MRE，這是由于硅油含量為7%的MRE中鐵粉所形成的鏈狀更均勻穩(wěn)定。

(2)在同一磁場環(huán)境中，MRE的相對磁流變效應(yīng)隨著取向磁場的增大而增大，且對于硅油含量為7%的樣品取向磁場從200 mT增加到250 mT時增加趨勢更加明顯，硅油含量為4%的MRE取向磁場從100 mT增加到250 mT的區(qū)間內(nèi)增長趨勢最明顯。

(3)在同一磁場環(huán)境中，MRE的損耗因子都隨著取向磁場的增大而增大，且隨著取向磁場的增大到一定程度其增長趨于平緩，這是由于當取向磁場增大到一定程度，磁敏顆粒形成的鏈已達到基本穩(wěn)定狀態(tài)。