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    具有智能蒙皮潛質(zhì)的磁流變彈性體磁力學(xué)特性

    2024-11-10 00:00:00鄧揚晨楊宇何玉慶李琦王志剛白巍郭義林
    航空科學(xué)技術(shù) 2024年8期

    摘 要:變體飛機的難點之一在于變形機翼,而變形機翼的難點之一在于變形蒙皮,其中后者的研究難度長期以來被忽視。以往很多變形翼蒙皮的研究與設(shè)計中,一般更加關(guān)注基于力學(xué)特征的智能材料。本文從變體結(jié)構(gòu)中的變形蒙皮特性與需求出發(fā),簡述了變形蒙皮的研究進展,論述了磁流變彈性體(MRE)的概念、材料組成以及功能等內(nèi)容,以及磁流變彈性體磁力學(xué)的相關(guān)表征。

    關(guān)鍵詞:變體結(jié)構(gòu); 變形蒙皮; 智能材料; 磁流變彈性體; 磁流變效應(yīng); 力學(xué)表征

    中圖分類號:TB381 文獻標(biāo)識碼:A DOI:10.19452/j.issn1007-5453.2024.08.001

    基金項目: 機器人學(xué)國家重點實驗室自主基金(2020-Z02)

    與具有不連續(xù)控制面的傳統(tǒng)機翼相比,變形機翼具有改善氣動性能、降低重量、提高控制效率和增加飛機可靠性的潛力[1-2]。變體飛機的難點之一在于變形機翼,而變形機翼的難點之一在于變形蒙皮,其中后者的研究難度長期以來一直沒有得到足夠的重視。變形蒙皮作為變形翼不可缺少的元素,既是增加機翼形狀適應(yīng)性也是降低所需驅(qū)動能量的關(guān)鍵元件。變形翼在氣動效率上的增益高度依賴于其表面的平整度,而表面的平整度尤其要受到變形蒙皮的強烈影響。

    與傳統(tǒng)固定翼相比,現(xiàn)代變形翼提高了飛機整個飛行的性能和燃油效率[3-7]。此外,變形機翼可以去除傳統(tǒng)的操縱面,如升降舵和副翼,有效地減少空氣阻力和噪聲問題。目前很多研究者考慮任何變形翼的結(jié)構(gòu)和控制時,經(jīng)常有一個重要的問題被忽視,那就是機翼的蒙皮[8]。變形的蒙皮必須在面內(nèi)方向上有足夠的延展率,以允許面內(nèi)形狀變化,并使驅(qū)動能量[9]最小化。同時,機翼蒙皮必須具有足夠高的面外剛度,以承受各種飛行狀態(tài)下的氣動載荷,并保持可接受的翼型受控形狀[10-12]。為了滿足這些相互沖突的要求,以往很多在變形翼蒙皮的研究與設(shè)計中,一般采用智能材料加以嘗試[13-18]。

    本文介紹了一種具有應(yīng)用在變形蒙皮潛質(zhì)的新型材料,即磁流變材料,由于其流變和力學(xué)性能相對于外部應(yīng)用的磁性可以改變,是一種智能材料。磁流變材料可以是流體、凝膠或類固體彈性體[19-21]。磁流變流體(MRF)與磁流變彈性體(MRE)是磁流變材料的兩個主要分支。其中,在MRF中,磁性顆粒懸浮在硅油等載體液中;而在MRE中,磁性顆粒被鎖定在聚合物基質(zhì)中的某個位置。當(dāng)外加磁場時,它們均會發(fā)生流變和力學(xué)響應(yīng)上的變化。而根據(jù)基質(zhì)材料和磁性顆粒的類型,又可分為磁流變(MR)流體[21]、鐵磁流體[22]、鐵凝膠[23-24]、MR橡膠[21]和MR彈性體[21]。其中,MR流體具有較大的強度增強,而MR彈性體的明顯特征則是在磁場下改變其模量。MR材料的概念[19]是由Rabinow于1948年提出,并在MRF的情況下證明了MR效應(yīng);相反,MRE不像MRF那樣擁有很長的歷史。

    本文重點討論的MRE是一種具有多種特性的多功能材料,它常常被稱為磁活性聚合物、磁活性彈性體、磁敏感彈性體和磁流變彈性體[25-35],其力學(xué)性能(如剛度、固有頻率和阻尼特性)能夠相對于外部磁場的變化而動態(tài)改變。近年來,國外學(xué)者對MRE的特性與力學(xué)行為進行了廣泛的研究[26-27,36]。參考文獻[19]~[21]表明,由于橡膠是MRE的非常廣泛的機體部分,而橡膠同樣也是變形/柔性蒙皮不可或缺的組成部分,這說明MRE與柔性蒙皮二者存在重要的共性部分,并可能成為一類未來具有應(yīng)用在變形蒙皮潛質(zhì)的新型智能材料。隨著對磁流變彈性體力學(xué)表征的深入研究,這種新型智能材料很有可能會是應(yīng)用在變形蒙皮上最具潛質(zhì)的材料。

    1 變形蒙皮發(fā)展概況

    目前的變形蒙皮概念,國外主要可以分為波紋結(jié)構(gòu)和點陣結(jié)構(gòu),再加上合適光順氣動表面的超彈性材料。波紋板最早被建議用于變形蒙皮,其優(yōu)點是將承載結(jié)構(gòu)與連續(xù)表面材料結(jié)合起來[37-38],然而,研究發(fā)現(xiàn)變形后的波紋會擾動氣流并增加阻力[39],對此,近十多年來已經(jīng)提出了各種解決方案。Thill等[40]考慮了具有重疊蓋板的復(fù)合波紋蒙皮;而Airoldi等[41]使用了硅樹脂蓋板;Dayyani等[42]研究了與覆蓋凹痕的硅膠片結(jié)合的梯形波紋蒙皮;Previtali等[43]研究了雙波紋結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)波紋結(jié)構(gòu)相比,這種結(jié)構(gòu)具有更高的彎曲剛度和變形剛度比,同時保持了外表面的間隙。除了波紋結(jié)構(gòu)外,國外眾多學(xué)者[44-47]還研究了具有潛在變形行為的蜂窩晶格結(jié)構(gòu),其中,Ali等[45]推導(dǎo)了蜂窩芯的解析公式;Alderson[46]和Mousanezhad[47]等分別推導(dǎo)了不同手性結(jié)構(gòu)的彈性常數(shù)等重要力學(xué)參數(shù)。這些結(jié)構(gòu)的顯著特點是具有良好的拓?fù)錁?gòu)型和大變形問題要求的零泊松比或負(fù)泊松比。

    對于大多數(shù)柔順結(jié)構(gòu),需要研究并開發(fā)對應(yīng)的覆蓋層以滿足變形過程中的連續(xù)表面要求。通常這些覆蓋物由非常靈活的薄板、滑動板或類似魚鱗片的結(jié)構(gòu)組成。此外,所提出的由彈性體研制而成的柔性蒙皮,必須經(jīng)得起長期使用和松弛性等方面的嚴(yán)格分析與考核。在自然界中,大多數(shù)經(jīng)歷過大變形的材料,在一段時間后,面對壓縮情況下,常常存在起皺問題。最令人印象深刻的例子是人類的皮膚,盡管人體具有自我更新的能力,但隨著年齡的增長,皮膚會出現(xiàn)褶皺。這讓研究者十分自然地認(rèn)為表層結(jié)構(gòu)選擇適當(dāng)?shù)母采w材料變得復(fù)雜。Naleway等[48]描述了從鯊魚皮和許多其他動物皮中觀察到的一個仿生原理。

    國外的經(jīng)驗與教訓(xùn)表明,在考慮變形蒙皮的利弊時,也需要考慮完整的變形結(jié)構(gòu)。在變體結(jié)構(gòu)概念中,變形蒙皮雖然是一個很小的組成部分,但是卻至關(guān)重要,在早期有關(guān)變體結(jié)構(gòu)重要要素的多次評估中,它總是被忽略,而且,針對變形蒙皮問題,這些分析一直是假設(shè)可以找到合適的解決方案。為了實現(xiàn)空氣動力學(xué)效率和保持相似的形狀,機翼外形輪廓必須保持連續(xù)和光滑[49]。因此,面外變形需要最小化,同時能夠?qū)崿F(xiàn)面內(nèi)變形,這個概念一般是通過提出的幾何結(jié)構(gòu)和堅固的滑動蓋來保證的。為了使變形蒙皮具有優(yōu)勢,面內(nèi)變形柔度應(yīng)該最大化,同時也需要增加剪切剛度以使翼型輪廓扭曲最小化,正如圖1所給出的結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)而言,容易看出:滑動蓋在剪切與變形剛度比以及面外位移方面表現(xiàn)最佳;而硅膠蓋在松弛和蠕變方面的特性對于長期應(yīng)用來說是不切實際的。為了滿足空氣動力學(xué)要求,在封閉和光滑的翼表面,滑動蓋顯然超過了硅膠蓋,其中,滑動蓋的缺點僅限于摩擦和磨損,這可以通過改變滑動蓋結(jié)構(gòu)的材料和連接方式來最大限度地減少摩擦和磨損帶來的不利影響。

    綜上所述,目前變形蒙皮的發(fā)展仍然存在技術(shù)瓶頸問題,如果變形蒙皮的材料模量在某種條件下可以發(fā)生改變,那么這一途徑可以改變當(dāng)前變形蒙皮的囧態(tài)。非常巧合的是磁流變彈性體對于外部磁場的變化能改變其模量,所以,將磁流變彈性體智能材料納入變形蒙皮的材料選擇中,應(yīng)該是一種明智的選擇。

    2 MRE材料

    MRE材料的主要成分如圖2所示。MRE材料包括一種非磁性聚合物基體,輔助載體有各種分量的可磁化顆粒和添加劑。

    基質(zhì)材料的選擇高度影響了MRE的力學(xué)性能,如初始模量、場相關(guān)模量和MR效應(yīng)。幾種基質(zhì)材料已被用于制造MRE,包括但不限于硅橡膠、乙烯基橡膠(VR)、聚氨酯(PU)、熱固性/熱塑性彈性體和天然/合成橡膠[21,26-27,50-54]。研究表明,硅橡膠是在其他聚合物中應(yīng)用最廣泛的材料,它具有一些奇異的特性,使它在MRE應(yīng)用中具有很大的吸引力,如硅酮很容易作為樹脂(液態(tài))獲得,這有利于在合成過程中磁性顆粒的均勻分布和容易懸浮。另外,硅樹脂具有低黏度,這使得可磁粒子易于沿磁勒克斯方向移動形成鏈,以發(fā)展各向異性MRE。此外,硅基基質(zhì)材料在高溫和室溫下的硫化燃燒速度更快,而且它也不能層壓、無毒、耗散、溫度敏感性較低和高度變形[55-57]。

    用于開發(fā)MRE的硅橡膠是單部分硅橡膠或兩部分硅橡膠。通常,用于MRE的硅橡膠可以在室溫或高溫下加熱;有時,兩部分硅酮是一種加成固化的鉑催化體系。一些常見類型的硅橡膠是高溫硫化或也稱為高溫硫化(HTv)[58]硅橡膠。MRE在飛行器上最廣泛的應(yīng)用包括對振動的吸能、減震及阻尼器[59-60]。

    磁粒子是MRE的磁場敏感成分,主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生磁場相關(guān)特性(即MR或磁致伸縮效應(yīng))。而碳烷基鐵粉(CIP)是應(yīng)用最廣泛的磁化顆粒,CIP因其高磁飽和度(>700mT) 、低磁殘留柔軟、高磁導(dǎo)率[27,59-61],被認(rèn)為是合成MRE的最佳選擇之一。此外,磁性顆粒(如鈷、鎳、Nd-Fe-B,甚至Fe3O4、CoFe2O4和鐵砂)也被認(rèn)為可以用來開發(fā)MRE[62,63-67]。在MRE中,平均尺寸低于10μm的球形粒子已被廣泛考慮。較小的粒子尺寸在磁性粒子與基質(zhì)材料之間具有較高的界面摩擦有效區(qū)域,這也正是使用較小粒子的主要原因;盡管如此,達到100μm甚至200μm的更大的粒子也被認(rèn)為開發(fā)MRE是可行的[68],甚至使用雙峰鐵和磁鐵礦顆粒已經(jīng)被證明是有效的[28]。

    添加劑是MRE的附加成分,添加劑在MRE中的關(guān)鍵作用是增強磁性磁場依賴的性質(zhì),主要稱為MR效應(yīng)。同時,在MRE中對添加劑的考慮,也為基于MRE的應(yīng)用打開了一扇新的大門,如通過改變電阻和電容的方式來提供傳感和驅(qū)動能力。在MRE中,添加劑被歸類為非磁性添加劑和磁性活性添加劑,其中,硅膠油、增塑劑和碳基材料是非磁性添加劑,而磁性納米顆粒 (MNPs) 納米粒子,如Fe2O3和碳基顆粒則屬于磁性添加劑。如果僅使用添加劑作為增塑劑材料,那么通常選取硅酮油、礦物油、鄰苯二甲酸酯和硅酮/天然酯等。這些增塑劑與基體材料混合,主要有助于提高松弛性、溶解性和焊接性,因而有助于MRE材料的使用。

    碳基材料是其他新興的納米磁性添加劑。炭黑(CB)是第一種類型的碳基添加劑,它提高了MRE的電導(dǎo)率,重新使用是在2008年[69]。碳基添加劑的一部分是碳納米管,其因高表面比、高表面質(zhì)量比和輕質(zhì)而獲得重視。2011年由Li Rui等[70]報道了首次使用碳納米管。利用加入石墨微粒子和石墨烯納米粒子的手段達到降低MRE的電阻值,從而來提高其傳感能力[71]。

    磁活性添加劑包括基于鐵和鎳或鈷氧化物的納米粒子,這些納米尺寸的磁性粒子可以抑制微尺寸的CIP,從而提供更高的MR效應(yīng)。2009年首次報道了在MRE中使用基于Fe和Co的納米線,文獻[72]基于納米線的MRE與僅有純CIP的MRE相比,前者顯示出更高的模量。同樣,納米湖鐵顆粒的使用也發(fā)展了MRE:當(dāng)鐵納米湖加入6wt%[73]時,發(fā)現(xiàn)MR效應(yīng)(基于損失系數(shù))高出1.56倍。有報道表明,加入桿形的γ-Fe2O3鈉米粒子[74]可以增強MRE的MR效應(yīng)。而且,表面修正的CIP可以提高MRE性能[75]也是新興的領(lǐng)域之一。由表面修正的CIP組成的MRE比使用原始CIP[75]展示出更高的MR效應(yīng)。

    綜上所述,碳納米管具有磁性添加劑,有很多優(yōu)點,碳納米管有助于增強碳納米管的鋅效應(yīng),因此,可以認(rèn)為碳納米管甚至其他碳基材料可以作為磁活性添加劑。Li Rui等[76]指出,與傳統(tǒng)的MR彈性體相比,納米陶瓷不僅表現(xiàn)出更高的剛度和阻尼,而且,它具有更大誘導(dǎo)磁場的增加,或者充分的MR效應(yīng)。他們使用了多壁碳納米管(MWCNTs)達到3.5wt%,使用MWCNTs的MRE與沒使用的相比,MRE的剛度增加了30%。Aziz等[77-78]也報道了類似的結(jié)果,在其相關(guān)報道中,與MRE包含原始MWCNTs相比,含有功能的MWCNTs(COOH-MWCNTs)顯示出更高的MR效應(yīng)(增加13.7%)。在某些應(yīng)用中,需要較高的初始剛度/模量和阻尼,但保持較高的相對磁流變效應(yīng)是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),需要補充材料(如更高的CIP含量)或努力(如更高的磁場)來改善磁流變效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),在固定濃度的CIP下,MWCNTs的加入提供了更高的MR效應(yīng)。關(guān)于“將碳納米管作為磁活性添加劑用于MRE”產(chǎn)生功效的機理,目前還沒有搞清楚,需要繼續(xù)開展此方面的研究工作。

    3 MRE磁力學(xué)表征

    在文獻[79]~[88]中,有許多測試方法來表征MRE的磁力學(xué)特性。廣泛使用的方法是剪切模式和其他模式,可以是單軸拉壓,也可以是雙軸加載測試。所有主要的測試模式如圖3所示,其中,F(xiàn)為作用力,H為磁性連接強度。最近,一種新型的MRE工作模式被報道,其中MRE樣品在一個完整周期(加載-卸載)中壓縮和拉伸,稱為拉壓模式[79-81]。這里回顧的試驗測試方法都來自靜態(tài)和動態(tài)的情況。通常,通用試驗檢測機/動態(tài)分析儀(DMA) 配備磁性裝置,即應(yīng)用磁性儀或?qū)嶒炇页晝x測試MRE的磁力學(xué)性質(zhì)的變化。MRE主要是確定動態(tài)模(即存儲和損耗),以及本質(zhì)上所謂的MR效應(yīng)。

    3.1 單軸壓縮機測試

    壓縮試驗是研究MRE在靜態(tài)和動態(tài)模式下性能的最常用方法之一,試驗機配有用電磁鐵或永磁體研制的磁性裝置,圖4給出了靜態(tài)壓縮的典型結(jié)果,其中,圖4(a)顯示了Kallio[82]得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果,該曲線是通過施加高達1T的磁通密度在應(yīng)變水平為6.5%時得到的;圖4(b)顯示了Gordaninejad等[83]得到的在不同磁通密度和高達20%應(yīng)變下的壓縮模量隨應(yīng)變的結(jié)果。在不同磁通密度下,應(yīng)力和模量與應(yīng)變的關(guān)系被用來說明MRE的壓縮行為。試驗結(jié)果表明,模量隨外加磁場的增大而增大。

    表1提供了對MRE類型、測試條件和MR效應(yīng)的變形綜合測試模式的結(jié)果,并在MRE上進行了廣泛的單次壓縮試驗。從表1可知試驗情況包括MRE的種類、濃度以及具有最大絕對MR效應(yīng)和相對MR效應(yīng)的測試條件等。從表1可以看出,研究中存在不同的顆粒濃度、磁通量密度、磁通量方向等測試條件是不同的,因此,直接比較這些測試結(jié)果是不合適的,從中可觀察到顆粒濃度從體積的5.45%到33%不等。同樣,報告的絕對MR效應(yīng)從38.9kPa到5.5MPa不等。Abramchuk等[84]報道的最高相對MR效應(yīng)為223%。為了獲得MR效應(yīng),采用零磁場下的模量和施加磁場后的最終模量,而且,大多數(shù)研究中所考慮的模量通常是切線模量。

    3.2 單軸拉伸試驗

    拉伸試驗裝置與壓縮試驗非常相似,唯一的區(qū)別是,MRE試樣被拉伸而不是壓縮,拉伸試驗的典型結(jié)果如圖5所示,當(dāng)施加磁場時,總應(yīng)力在一個小應(yīng)變區(qū)域內(nèi)的增加更為明顯。在拉伸試驗中發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)變水平的增加,磁流變效應(yīng)迅速減小。

    表2總結(jié)了對MRE拉伸試驗的一系列試驗研究,在文獻[89]~[92]中,應(yīng)變試驗結(jié)果可達100%,但在低應(yīng)變水平下,MR效應(yīng)較高,這是因為在機械拉伸過程中,磁性粒子之間的距離會增加,從而減少它們之間的相互作用。它是在軸向拉伸模式下對MRE進行了多項研究的試驗結(jié)果,主要基于MRE的類型、具有最大絕對MR效應(yīng)和相對MR效應(yīng)的條件等。Stepanov等[90]闡述了3000%的最大相對MR效應(yīng),主要在低應(yīng)變水平上觀察到。2019年,Soria- Hernandez等[92]通過改變CIP濃度從20%到70%對各向同性MRE進行了拉伸試驗,發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料樣品產(chǎn)生52mT的磁通密度時,CIP含量為63wt%的樣品表現(xiàn)出最大的MR效應(yīng)。然而,Soria-Hernandez等[92]報道的相對MR效應(yīng)仍低于Stepanov等[90]報告的MR效應(yīng)。這是由MRE樣品的零場模量和測試條件的差異導(dǎo)致的。

    3.3 簡單剪切試驗

    剪切模式是表征MRE特性最常用的模式之一。從應(yīng)用的角度來看,這一工作應(yīng)該得到支持,因為磁響應(yīng)復(fù)合材料在大多數(shù)基于MRE器件中,如在隔振器和吸收器[26-27]中,受到剪切載荷。剪切試驗可分為兩種類型:單圈剪切和雙圈剪切。其試驗條件也類似于壓縮/拉伸試驗。但是,應(yīng)變水平和應(yīng)變率不會像拉伸試驗?zāi)敲锤?(在拉伸試驗中的應(yīng)變水平可以高于100%)。圖6中給出了一個眾所周知的剪切試驗結(jié)果[88],其中,磁流變效應(yīng)是借助切線模獲得的,并且發(fā)現(xiàn) MR效應(yīng)更高,在較小的應(yīng)變水平時,隨著應(yīng)變的增加而減小。圖6是對MRE進行剪切試驗研究的結(jié)果,它基于MRE的類型、濃度以及具有最大絕對MR效應(yīng)和相對MR效應(yīng)的測試條件,通過剪切試驗對MRE進行的研究,可以看到不同研究人員的測試和輸出并不完全相似,如Schubert等[88]的最大缺失性MR效應(yīng)為2.05MPa,而Stepanov等[90]的相對MR效應(yīng)卻為750%。

    3.4 等軸試驗

    2016年,Schubert等[93]首次應(yīng)用磁性進行了等雙軸測試,設(shè)計了一套等雙軸試驗機,如圖7所示,磁性可以應(yīng)用于平行或垂直的方向。當(dāng)磁流密度為67.5mT時,當(dāng)施加的磁場與粒子排列鏈平行時,相對MR效應(yīng)提高了74%。Zhou Yanfen[94]和Gorman[95-96]等也用氣泡膨脹試驗對MRE進行了相關(guān)等軸試驗。

    3.5 疲勞測試

    MRE的疲勞強度是需要研究的最關(guān)鍵的機械性能之一,以便在實際工程系統(tǒng)中有效地使用它們,因為大量的機器部件經(jīng)歷著高動態(tài)載荷。2013年,Zhou Yanfen等[94]報道了MRE疲勞性能的首批試驗工作,疲勞測試的一些結(jié)果如圖8所示,其中,圖8(a)應(yīng)力幅值為0.75MPa、CIP為20vol%時,工程應(yīng)力控制疲勞試驗中的應(yīng)力軟化行為,圖8(b)為不同CIP濃度下MRE的s-n曲線,是由Zhou Yanfen等[94,97]完成的。他們在不施加磁場的情況下,通過創(chuàng)建氣泡膨脹方法,對MRE進行了等雙軸測試,最初,他們研究了MRE在沒有磁場的情況下的疲勞行為,然而,同一研究小組[97-98]進一步研究了在改變CIP濃度條件下的MRE的相同行為,得到了疲勞壽命隨應(yīng)變幅值的增加而降低,模量隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低;同時,MRE材料在一個范圍內(nèi)失效,表明該材料的復(fù)模限值在1.22~1.38MPa,與CIPA量和應(yīng)力幅值無關(guān)。

    2017年,Gorman等[95-96]在磁場存在下研究了MRE的疲勞行為,在單軸和雙軸試驗方法中對MRE進行了疲勞研究。首先,在兩種類型的試驗中,低應(yīng)變水平下的MR效應(yīng)最大;其次,很難直接比較單軸和雙軸數(shù)據(jù),但是,試驗趨勢與其他的試驗一樣,隨著磁場的增加,模量也伴隨增加。

    4 總結(jié)和展望

    在MRE中,磁粒子的分布影響MRE反射效應(yīng),磁粒子(主要是CIP)可以隨機分布(即各向同性MRE),也可以以對齊方式分布(即各向異性MRE);針對相同濃度的CIP,磁粒子的各向異性結(jié)構(gòu)比各向異性結(jié)構(gòu)具有更高的磁流變效應(yīng)。需要注意的是,磁通量方向應(yīng)與粒子排列方向平行;另外,磁性粒子的百分比含量也會影響磁流變效應(yīng),通常采用體積分?jǐn)?shù)(vol%)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)來說明磁顆粒的含量,其中體積分?jǐn)?shù)的范圍為0 ~ 40%;質(zhì)量分?jǐn)?shù)的范圍為0 ~ 85%。通常,相對MR效應(yīng)和絕對MR效應(yīng)都隨著CIP濃度的增加而增加。還應(yīng)注意的是,過高的顆粒濃度會減少基體材料的數(shù)量;較高濃度的CIP可以提高零場(zero-field)模量/剛度,但不影響磁流變效應(yīng)。目前的文獻給出的結(jié)果表明CIP的最佳濃度約為30%。

    針對目前的制造技術(shù)而言,如何控制磁性粒子在基體材料中的排列確實是一項艱巨的工作,因為現(xiàn)有的技術(shù)方式,粒子只能在磁通量線的方向上得以配置。因此,一個獨特的配置是很難獲得的,到目前為止還沒有相關(guān)報道。然而,通過采用各種3D打印技術(shù),已經(jīng)預(yù)示出了開發(fā)一些獨特結(jié)構(gòu)的潛力,這說明使用3D打印方法開發(fā)MRE材料的新方法可以進一步探索。未來應(yīng)該研究3D打印技術(shù)的其他潛力,如形狀記憶效應(yīng)、三明治結(jié)構(gòu)和GwfcMdETNcx6aLFCuwZd8g==軟機器人,以充分利用這種顛覆性的制造過程。此外,還可以對3D打印的MRE進行數(shù)值模擬,以優(yōu)化MR絲的尺寸參數(shù)、取向和最終的MR效果。

    有許多測試方法用來表征MRE的力學(xué)性能,如單軸壓縮、拉伸和剪切,以及在無磁場和存在磁場的情況下進行多軸測試。靜態(tài)和動態(tài)測量都可以在相關(guān)文獻中找到。MRE材料的類型(基體、CIP濃度、各向同性/各向異性)、測試條件(模式、應(yīng)變水平、應(yīng)變速率、應(yīng)用方式、磁場強度)甚至數(shù)據(jù)分析在每次研究中都有所不同。因此,盡管某種趨勢發(fā)展可以獲得,但是有些測試直接比較不一定是可靠的,而且這是一項十分艱巨的任務(wù),盡管如此,MRE的試驗研究中還是觀察到以下趨勢:(1)MR效應(yīng)隨著磁性粒子濃度的增加而增加。較軟的基質(zhì)材料 (具有較低的無離子模量)會導(dǎo)致較高的相對MR效應(yīng),但不一定是較大的絕對MR效應(yīng)。添加少量的添加劑,如CNPs和MNPs,也增加了MR效應(yīng)。(2)各向異性MRE比各向同性MRE具有更高的MR效應(yīng)。當(dāng)加載方向和磁通方向平行于顆粒排列鏈時,磁流變效應(yīng)最大。MRE材料的磁感應(yīng)強度在700mT以上,且MRE效應(yīng)不隨磁通量的增加而增加。剪切和壓縮變形模式是最流行的測試方法。壓縮試驗顯示,MR效應(yīng)比其他變形模式更低。(3)對于靜態(tài)試驗,在較低的應(yīng)變水平下,MR效應(yīng)更高。在表征壓縮或拉伸載荷下的復(fù)合材料時,所謂的馬林斯效應(yīng)起著至關(guān)重要的作用。因此在任何實際測試之前,需要預(yù)處理從樣品中去除馬林斯效應(yīng)。MR效應(yīng)在低應(yīng)變條件下更高。因此,當(dāng)描述在不同的操作模式下,如擠壓、拉力和剪切模式,以及當(dāng)使用MRE材料設(shè)計應(yīng)用時,可以考慮低應(yīng)變水平 (<10%)。(4)MR效應(yīng)在整個應(yīng)變范圍內(nèi)都不是恒定的。因此,說明任何MRE測試結(jié)果的應(yīng)變極限都是非常重要的。使用流變儀/DMA的動態(tài)測試為MRE行為的建模提供了高度可靠的數(shù)據(jù)。動態(tài)模量隨磁場強度和頻率的增加而增大,隨應(yīng)變振幅的增大而減小。

    目前在每項研究中,基質(zhì)材料的類型、CIP濃度、粒子濃度,甚至測試條件 (模式、應(yīng)變水平、應(yīng)用方式和磁性強度)都不相同,以及缺乏提供磁性場的標(biāo)準(zhǔn)方法,使得重復(fù)以前發(fā)表的MRE測試結(jié)果出現(xiàn)很大差異。因此,在沒有磁性的情況下,迫切需要制定在靜態(tài)和動態(tài)條件下測試MRE性能的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)議。此外,根據(jù)目前文獻提供的信息,建立使用強迫振動法獲得存儲模量和100損失系數(shù)等動態(tài)特性,因為該方法不會使樣品變形,可以在較寬的頻率范圍內(nèi)(10~1000Hz)進行試驗研究。類似地,高應(yīng)變率動態(tài)測試可以使用霍普金森壓力棒(SHPB)[99]進行,其中在10的范圍內(nèi),動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為應(yīng)變率的函數(shù),其數(shù)據(jù)范圍是10~1000(°)/s。由于商業(yè)上可用的SHPB是為金屬、混凝土和陶瓷等硬質(zhì)材料設(shè)計的,因此需要一個改進的 SHPB來測試MRE性能[99]。

    在沒有任何現(xiàn)有技術(shù)協(xié)議的情況下,迫切需要開發(fā)針對MRE材料特性、設(shè)備測試和性能測量的標(biāo)準(zhǔn)化方法。到目前為止,盡管近年來對MRE的研究正在快速增長,但對于如何測量MRE的磁力學(xué)性能還沒有達成一個廣泛共享的共識。盡管這對于一個相對較新卻很活躍的研究領(lǐng)域是十分常見的,在當(dāng)前這種情況下,為了滿足標(biāo)準(zhǔn)化磁力學(xué)特性的關(guān)鍵需求,該領(lǐng)域的國外學(xué)者提出了以下建議:(1)磁場的報告應(yīng)該是強制性的 (不僅僅是電磁鐵電流) ,應(yīng)使用“磁流密度”來代替磁場或磁場強度。例如,常用的測量磁場的猜測計/特斯拉計,提供了特斯拉(T)或高斯(G)的磁勒克斯密度值。提供的磁通量密度應(yīng)該在整個樣品厚度中均勻。盡管有一些學(xué)者致力于研究MRE[100-103]的磁導(dǎo)率,仍然越來越需要根據(jù)不同的體積分?jǐn)?shù)提供準(zhǔn)確的MRE值。(2)在壓縮、拉伸或剪切試驗中,純磁機械試驗都沒有標(biāo)準(zhǔn)的樣品尺寸,建議按照ISO標(biāo)準(zhǔn)遵循制定樣品的尺寸。壓縮試驗可基于ISO7743進行。(3)純剪切試驗可根據(jù)ISO 1827進行。對于材料切割,內(nèi)切刀片優(yōu)于移動刀技術(shù),以提高精度(如ISO23529中描述的刀具)。Mullin效應(yīng)對于MRE的特征描述是非常關(guān)鍵的,因此,在實際測試之前,所有樣品都需要至少三個周期的預(yù)處理。(4)提供的楊氏模量或彈性模量值必須在非常低的0~2%應(yīng)變下使用切變模量(不使用割線模量或線性模量),因此,應(yīng)該關(guān)注整個應(yīng)變范圍內(nèi)的切變模量圖。MR效應(yīng)應(yīng)該用切線模量得到。對于動態(tài)測試,可以使用流變儀,然而,流變儀的尺寸和樣品厚度必須是明確和固定的。應(yīng)該確定所有動態(tài)測試的標(biāo)準(zhǔn)樣本量,包括定制的DMA和強制振動測試。盡管Gordaninejad等[104]報道了在強制振動測試中,MRE的力學(xué)性能與樣品厚度無關(guān),但在動態(tài)測試中必須考慮薄樣品,因為薄的樣品能夠在小的氣隙內(nèi)產(chǎn)生均勻的磁通密度。

    隨著MRE研究的快速發(fā)展,還迫切需要一套標(biāo)準(zhǔn)的測試方案,因此,MRE研究界需要盡快制定MRE材料表征和性能測量的標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議。例如,為介電彈性體開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)測試方法,可以作為一個很好的參考[105],這是介電彈性體不同領(lǐng)域?qū)W者之間合作的結(jié)果。此外,現(xiàn)有的建模方法也應(yīng)該統(tǒng)一,因為在施加磁場下,很少有模型預(yù)測MRE的剛度增強,而其中一些模型假設(shè)在施加磁場下剛度降低[106-108]。

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    Magnetic Mechanical Properties of Magneto Rheological Elastomer of New Smart Material for Morphing Skin

    Deng Yangchen1, Yang Yu2, He Yuqing3, Li Qi4, Wang Zhigang2, Bai Wei5, Guo Yilin5

    1. AVIC Shenyang Aircraft Design and Research Institute, Shenyang 110035, China

    2. Aircraft Strength Research Institute of China, Xi’an 710065, China

    3. Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

    4. Liaoning University, Shenyang 110036,China

    5. Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China

    Abstract: One of the difficulties of the morphing aircraft is the deformable wing, and one of the difficulties of the deformable wing is the flexible skin, among which the research difficulty of the latter has been ignored for a long time. In the previous research and design of morphing wing skin, more attention has been paid to intelligent materials based on mechanical features. This paper starts from the characteristics and requirements of flexible skin in the morphing structure. Firstly, it describes the review of flexible skin briefly; secondly, it discusses the concept, material composition and function of Magneto Rheological Elastomers (MRE); then, it describes the magnetic characterization of MRE.

    Key Words: morphing structure; flexible skin, smart materials; MRE; MR effect; mechanical properties

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