不同軸向壓力下磁流變彈性體的剪切性能研究*

李承洪，楊 帆，錢文博

(華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361000)

0 引 言

磁流變材料，包括磁流變液、磁流變彈性體和磁流變泡沫，是一種根據(jù)外加磁場強(qiáng)度的變化，可連續(xù)、快速、可逆地控制其力學(xué)性能和形狀的一種智能材料，在振動(dòng)控制領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景[1-2]。磁流變彈性體(MREs)作為磁流變材料的一個(gè)新分支，是由納米級(jí)或微米級(jí)的磁性粒子分散在各種高分子聚合物中而形成的新型智能材料。磁流變彈性體在外加磁場作用下固化一段時(shí)間，在一定的取向磁場下，磁性粒子在橡膠類基體中會(huì)形成鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu)[3-5]，它克服了磁流變液中粒子沉淀、材料穩(wěn)定性和密封問題的同時(shí)，還保留了阻尼、剛度可控的特性[6-7]。因而近年來成為了磁流變材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)，在汽車、橋梁、建筑和振動(dòng)控制等應(yīng)用中取得了較好的研究成果[8]。

磁流變彈性體的最主要特性就是其磁流變特性，其磁流變特性在很大程度上決定了MREs的應(yīng)用范圍及效果。幾十年來，國內(nèi)外眾多研究者對磁流變彈性體的磁流變特性開展了大量研究。如基體的不同類型[9-13]和填充顆粒的空間分布、體積濃度、顆粒尺寸大小和形狀[14-17]，磁場強(qiáng)度、顆粒的取向[18-20]、頻率和應(yīng)變幅值[21-22]等。上述研究大部分結(jié)果表明基體的粘彈性、外加磁場強(qiáng)度以及顆粒的微觀結(jié)構(gòu)[23]對MREs的磁流變特性具有很大影響。目前對MREs材料的磁流變特性研究主要是集中在恒壓剪切模式下，而對于不同軸向壓力情況下MREs的剪切性能研究較少。因此，測試不同軸向壓力作用下磁流變彈性體的剪切性能是很有必要的。

本文以硅橡膠基磁流變彈性體為研究對象，通過施加不同的軸向壓力，來分析磁流變彈性體的彈性模量、磁致效率等特性。測試結(jié)果表明，磁流變彈性體的儲(chǔ)能模量和耗能模量隨著軸向壓力的增大而增大，最后趨于飽和狀態(tài)；應(yīng)力-應(yīng)變磁滯回線的面積和長軸斜率均隨軸向壓力的增大不斷增大。相反，其磁致效率在磁場中表現(xiàn)出隨著軸向壓力增大，其磁致效率越低，在高磁場強(qiáng)度下更加明顯。對這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和描述有助于將其應(yīng)用于工程領(lǐng)域。

1 磁流變彈性體制備

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料及儀器設(shè)備

本文研究采用由美國Smooth-on公司生產(chǎn)的Ecoflex 0010型硅橡膠作為磁流變彈性體的基體，而填充顆粒，則采用了由德國巴斯夫生產(chǎn)的SQ型號(hào)羰基鐵粉，粒徑范圍為3.9～5 μm。因?yàn)榘退狗螋驶F粉具有穩(wěn)定的磁導(dǎo)率、較低的損耗和高磁飽和特性。制備磁流變彈性體所需要的設(shè)備有電動(dòng)攪拌器、電子秤、真空桶和均勻磁場發(fā)生裝置。

1.2 樣品制備

各向異性磁流變彈性體的具體制備過程可以分為4步：

(1)材料的提取

按2∶1∶1的質(zhì)量比依次取出羰基鐵粉、硅橡膠和硅膠凝固劑共20 g，質(zhì)量配比如表1所示；

表1 MREs樣品原材料質(zhì)量比Table 1 Component mass ration of MREs sample

(2)混合

把稱量好的羰基鐵粉、硅橡膠及硅膠凝固劑放入容器中，然后使用電動(dòng)攪拌器攪拌6 min，使鐵磁顆粒充分均勻的分散在硅橡膠基體中；

(3)排氣泡

將攪拌均勻后的混合物注入準(zhǔn)備好的模具里，然后放入真空桶中，抽真空5 min，盡可能除去混合物中的氣泡，使其內(nèi)部顆粒形成理想的鏈狀結(jié)構(gòu)；

(4)固化

將抽完真空后的混合物取出，蓋上蓋板后放在磁場強(qiáng)度為134 mT的均勻磁場發(fā)生裝置中。在室溫下經(jīng)過24 h固化后，可制備出磁流變彈性體樣品，其內(nèi)部粒子的排列方向與固化磁場方向一致。

圖1為MREs制備流程圖和樣品實(shí)物圖，樣品的半徑為10 mm，厚度為1 mm。

圖1 MREs制備流程及實(shí)物圖Fig 1 Preparation and physical diagram of MREs

2 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)測試

本實(shí)驗(yàn)所用到的實(shí)驗(yàn)儀器是美國TA公司生產(chǎn)的型號(hào)為DHR-2的旋轉(zhuǎn)流變儀，夾具選用直徑為20 mm的平行板夾具。保持溫度一直在25 ℃，振蕩模式進(jìn)行測試。為了避免樣品和幾何體之間產(chǎn)生滑動(dòng)，對試樣施加不同的軸向壓力，具體測試參數(shù)如表2。施加的外部磁場方向垂直于MREs固化時(shí)磁場方向，磁場強(qiáng)度大小隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

表2 MREs測試參數(shù)Table 2 The test parameters of MREs

圖2 磁場強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線Fig 2 Curve of magnetic field strength over time

2.2 結(jié)果及分析

2.2.1 軸向壓力下磁流變彈性體的剪切性能研究

圖3為不同磁場強(qiáng)度和軸向壓力下，磁流變彈性體的儲(chǔ)能模量和耗能模量變化關(guān)系。由圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)，在不同軸向壓力條件下，MREs的儲(chǔ)能模量隨著外加磁場的增大而增加。磁場強(qiáng)度在0.1～0.8 T范圍內(nèi)時(shí)，儲(chǔ)能模量增加的幅度比較大，但當(dāng)磁場強(qiáng)度大于0.9 T時(shí)，增加的幅度逐漸緩慢，磁流變彈性體即將進(jìn)入飽和狀態(tài)，即鐵磁粒子出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象。這是因?yàn)闃悠穬?nèi)部鐵磁顆粒間的相互作用關(guān)系產(chǎn)生的，當(dāng)施加外部磁場時(shí)，鐵磁顆粒間會(huì)產(chǎn)生相互作用力，并且會(huì)隨著外部磁場強(qiáng)度的增加而增大，因此表現(xiàn)出樣品的儲(chǔ)能模量逐漸增大。當(dāng)內(nèi)部鐵磁顆粒達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，磁性顆粒間的相互作用力不再隨著磁場強(qiáng)度的增加而增大，故磁流變彈性體會(huì)接近飽和狀態(tài)。

圖3(b)為不同磁場強(qiáng)度下，磁流變彈性體的儲(chǔ)能模量與軸向壓力的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著軸向壓力的增大，MREs樣品的儲(chǔ)能模量均逐漸增加。如當(dāng)在外加磁場為0.4 T、軸向壓力為2 N時(shí)，儲(chǔ)能模量為0.076 MPa，而當(dāng)軸向壓力增加到10 N時(shí)，儲(chǔ)能模量為0.095 MPa。這說明軸向壓力大小對磁流變彈性體的性能有的較大影響。因?yàn)樵诒容^大的軸向壓力下，其基體內(nèi)部相鄰粒子間的相對距離減小，導(dǎo)致顆粒間的互作用力增大，故儲(chǔ)能模量會(huì)逐漸增大。

圖3 不同磁場強(qiáng)度和軸向壓力下MREs的儲(chǔ)能模量和耗能模量Fig 3 Storage modulus and loss modulus of MREs under different magnetic field strength and axial loading

圖3(c)、(d)分別為樣品的耗能模量與磁場強(qiáng)度、軸向壓力的關(guān)系。圖中結(jié)果表明，樣品的耗能模量隨外加磁場強(qiáng)度的增加而增大，最后趨于飽和狀態(tài)，且軸向壓力越大，其越快達(dá)到飽和狀態(tài)。而在同一磁場強(qiáng)度下，耗能模量隨軸向壓力的增大也呈現(xiàn)增加趨勢。

為了描述在不同軸向壓力作用下磁流變彈性體樣品的磁致效率隨外加磁場的變化情況，我們采用下列公式來表示磁流變彈性體的磁致效率：

圖4(a)試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的軸向壓力下，樣品的磁致效率具有相同的變化趨勢，其隨磁場強(qiáng)度的增大而增加，最后都趨于飽和狀態(tài)。相反，在同一磁場強(qiáng)度條件下，樣品的磁致效率隨著軸向壓力的增大反而降低，即施加軸向壓力越大的磁流變彈性體，其磁致效率越低。其中在磁場強(qiáng)度為1T時(shí)，軸向壓力為2 N的磁流變彈性體樣品的磁致效率為4.76%，而軸向力為10 N的磁流變彈性體樣品其磁致效率卻為3.9%，差值為0.86%，如圖4(b)所示。

圖4 磁致效率與磁場強(qiáng)度和軸向壓力的關(guān)系Fig 4 Relationship between magnetostatic efficiency and magnetic field strength and axial loading

2.2.2 軸向壓力對MREs磁滯性能的影響

圖5為在軸向壓力為4 N時(shí)，磁流變彈性體樣品在不同磁場情況下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。從圖5(a)磁滯回線圖中可以看出，隨著磁場強(qiáng)度的增大，磁滯回線圍成的回滯環(huán)面積和斜率均在不斷的增加，即磁流變彈性體的損耗能量和等效剛度在不斷的增加，說明材料的阻尼和剛度隨磁場的增大也在增大。所以可以通過比較磁滯回線面積變化量和斜率來研究材料的阻尼和剛度。

圖5(b)給出的是軸向壓力為4 N時(shí)，回滯環(huán)的面積與斜率隨外加磁場變化的結(jié)果?？梢钥闯觯诘退酱艌鰪?qiáng)度時(shí)，回滯環(huán)面積增加的比較明顯，樣品損耗的能量較多；當(dāng)達(dá)到高水平磁場強(qiáng)度時(shí)，回滯環(huán)面積增加的不明顯，基本保持不變。同樣，磁滯回線的斜率也具有同樣的趨勢。這是因?yàn)樵诘退酱艌龇秶鷥?nèi)，隨著外部磁場的增強(qiáng)，樣品內(nèi)部磁性粒子間的相互作用增強(qiáng)，材料的阻尼增大，損耗的能量也加大；當(dāng)磁場達(dá)到0.8 T時(shí)，磁性粒子將達(dá)到飽和狀態(tài)，粒子間的相互作用不變，材料的阻尼不在增大了，以及材料損耗的能量不變，即回滯環(huán)的面積基本保持不變。

圖5 軸向壓力為4 N的MREs在不同磁場下應(yīng)力-應(yīng)變特性關(guān)系Fig 5 Relationship of stress-strain characteristics of MREs with axial pressure of 4 N under different magnetic fields

圖6是在磁場強(qiáng)度為0.5 T，不同大小軸向壓力作用下，磁流變彈性體樣品的應(yīng)力-應(yīng)變特性關(guān)系。從圖6(a)中可以看出隨著軸向壓力的增大，回滯環(huán)的面積在不斷的增加，且越來越陡，即磁流變彈性體的損耗能量和剛度在不斷的增加，說明材料的阻尼和剛度隨軸向壓力的增大也在增大。

圖6 磁場強(qiáng)度為0.5 T的MREs在不同軸向壓力下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig 6 Relationship of stress-strain of MREs with a magnetic field strength of 0.5 T under different axial loading

圖6(b)是樣品在0.5 T時(shí)，磁滯回線的面積與斜率隨軸向壓力變化的結(jié)果?？梢钥闯?，隨著軸向壓力的增大，回滯環(huán)面積也在不斷地增加。同樣，磁滯回線的斜率也具有同樣的趨勢，但增加的幅度較小，說明軸向壓力對MREs剛度的影響較小。

3 結(jié) 論

通過比較不同磁場強(qiáng)度和軸向壓力作用下，對磁流變彈性體的剪切性能進(jìn)行了測試和研究。測試結(jié)果表明：

(1)磁流變彈性體的儲(chǔ)能模量和耗能模量均隨磁場增大而增加，并且在0.1～0.8 T時(shí)增長趨勢較大，當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到0.9 T時(shí)增長緩慢，磁流變彈性體樣品基本達(dá)到飽和狀態(tài)；

(2)在同一磁場強(qiáng)度條件下，軸向壓力的增大，可致使磁流變彈性體樣品儲(chǔ)能模量和耗能模量的增加，最后趨于飽和狀態(tài)。相反，樣品的磁致效率卻隨著所施加軸向壓力的增大而呈現(xiàn)降低的趨勢。表明對樣品施加的軸向壓力大小對磁流變彈性體的性能有著較大的影響；

(3)磁流變彈性體樣品的應(yīng)力-應(yīng)變磁滯回線形成的面積隨著磁場強(qiáng)度的增大也在不斷的增加，即磁流變彈性體的損耗能量在不斷的增加。其中，在低水平磁場強(qiáng)度時(shí)，回滯環(huán)面積增加的比較明顯，損耗的能量較多；而在高水平磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)，回滯環(huán)面積增加的不明顯，基本保持不變。同樣，應(yīng)力-應(yīng)變磁滯回線的斜率也具有相同的趨勢，

(4)在相同磁場強(qiáng)度下，磁滯回線圍成的面積隨著軸向壓力的增大而不斷的增加，但磁滯回線斜率增大的幅度較小。