硅橡膠基磁敏彈性體制備及其壓縮力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

張燦陽(yáng), 萬(wàn) 強(qiáng), 郝志明

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 北京 100081； 2.中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所， 四川 綿陽(yáng) 621900)

0 引 言

磁敏彈性體，簡(jiǎn)稱磁彈體，是一種可受磁場(chǎng)調(diào)控的智能軟材料，主要表現(xiàn)在它的剛度、阻尼等特性會(huì)隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而迅速變化.通過(guò)一定的化學(xué)或物理手段將羰基鐵粉、Fe2O3粉等磁敏顆粒分散并且固化在硅橡膠、聚乙烯醇等高分子聚合物中，可以制備得到磁彈體.由于磁敏顆粒使磁彈體具有可受磁場(chǎng)強(qiáng)度控制的特點(diǎn)，高分子基體使磁彈體具有高彈、大變形等特點(diǎn)，因此，磁彈體被廣泛地應(yīng)用于主動(dòng)式振動(dòng)控制與柔性壓力傳感等相關(guān)領(lǐng)域[1-3].目前，磁彈體的相關(guān)研究多針對(duì)其剪切力學(xué)性能隨磁場(chǎng)的變化來(lái)反映其磁流變效應(yīng)，例如，Jolly等[4]研究了外磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁彈體靜態(tài)剪切模量的影響，方生等[5]建立了一套動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，分析了影響磁彈體動(dòng)態(tài)剪切力學(xué)性能的諸多因素.但目前關(guān)于磁彈體拉壓力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)類文獻(xiàn)較少[6].事實(shí)上，磁彈體在實(shí)際應(yīng)用中作為承壓件工作在壓縮力學(xué)狀態(tài)的情況較多，如柔性傳感器、隔振器、阻尼器等[7-10].為了能夠更好地促進(jìn)磁彈體在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，有必要對(duì)其壓縮力學(xué)性能進(jìn)行深入研究，例如，探究磁敏顆粒含量、外界磁場(chǎng)強(qiáng)度及內(nèi)部磁敏顆粒分布等因素對(duì)磁彈體壓縮力學(xué)性能產(chǎn)生的影響.對(duì)此，本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段分析了這些影響，擬為設(shè)計(jì)與應(yīng)用含有磁彈體的器件提供相關(guān)數(shù)據(jù).

1 試樣與測(cè)試系統(tǒng)

1.1 磁彈體制備

1.1.1 材 料.

實(shí)驗(yàn)中， 磁彈體的基體相為硅橡膠(GMX-608T型， 中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司)，磁敏顆粒填充相為羰基鐵粉(CN型， BASF公司)；其他輔料包括， 二甲基硅油(致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)，硅橡膠固化劑(60M型，中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司).

1.1.2 制 備.

試樣制備時(shí)，硅橡膠與二甲基硅油的質(zhì)量比為3∶2，硅橡膠與固化劑的質(zhì)量比為8∶1，按照上述比例稱量硅橡膠、二甲基硅油、固化劑，并按照需要的磁敏顆粒含量稱量羰基鐵粉.稱量后按照如下步驟混合各原料并等待硅橡膠固化.

1)將二甲基硅油倒入燒杯中，再將羰基鐵粉置入二甲基硅油中，充分?jǐn)嚢杈鶆?，使羰基鐵粉被二甲基硅油良好地包裹，以增強(qiáng)顆粒填充相在基體相中的流動(dòng)性.

2)在步驟“1)”的混合物中加入硅橡膠、固化劑，快速攪拌均勻，把充分?jǐn)嚢杈鶆虻幕旌衔锓湃胝婵崭稍锵渲?，在真空?1%、室溫的環(huán)境中靜置2 min，以除去混合物中的氣泡，防止固化后得到的磁彈體內(nèi)部含有大量孔洞.

3)將充分排除氣泡后的混合物倒入模具中，確?；旌衔锍錆M模具，閉合模具，排出多余的混合物，在室溫的環(huán)境條件下保持24 h固化成型.

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，通過(guò)上述步驟制備得到的磁彈體的內(nèi)部磁敏顆粒是隨機(jī)均勻分布的，簡(jiǎn)稱各向同性磁彈體.圖1(a)為在電子顯微鏡下觀察各向同性磁彈體樣品內(nèi)部得到的微觀結(jié)構(gòu)圖.

如果將混合物連同模具一起置于均勻磁場(chǎng)的正中，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為600 mT及室溫的環(huán)境條件下保持24 h固化成型.此時(shí)，在磁彈體固化成型的過(guò)程中，磁敏顆粒受到磁場(chǎng)力的作用，會(huì)形成鏈狀或柱狀的顆粒鏈，并隨著固化的進(jìn)程而固定在基體中.這種內(nèi)部磁敏顆粒成鏈狀分布的磁彈體簡(jiǎn)稱各向異性磁彈體.圖1(b)為在電子顯微鏡下觀察各向異性磁彈體樣品內(nèi)部得到的微觀結(jié)構(gòu)圖.

制備所得圓柱體形磁彈體樣品的尺寸為直徑12 mm、高度3 mm，如圖1(c)所示.

圖1 磁彈體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)圖及樣品圖

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)的力磁耦合測(cè)試系統(tǒng)由材料試驗(yàn)機(jī)、磁場(chǎng)發(fā)生裝置及加載桿等部件組成，具體如圖2(a)所示.系統(tǒng)的加載桿與材料試驗(yàn)機(jī)相連，對(duì)磁彈體樣品施加單向壓縮載荷.

系統(tǒng)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置可為實(shí)驗(yàn)區(qū)域提供強(qiáng)度可調(diào)的均勻磁場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，通過(guò)調(diào)整N極和S極之間的距離可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度連續(xù)可調(diào).N極和S極分別為兩個(gè)圓柱體形的釹鐵硼永磁鐵，直徑130 mm，高度50 mm，中心開有直徑為40 mm的通孔，便于直徑為20 mm的鋁制加載桿穿過(guò).

圖2 力磁耦合測(cè)試系統(tǒng)

為了分析本磁場(chǎng)發(fā)生裝置能否為實(shí)驗(yàn)區(qū)域提供均勻磁場(chǎng)，圖3(a)為利用有限元軟件磁學(xué)模塊模擬本研究使用的永磁鐵在相距120 mm時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生裝置中心處縱截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖，圖3(b)為磁場(chǎng)發(fā)生裝置中心處橫截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖.由圖3可以看出，試樣所處的實(shí)驗(yàn)區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻.

同時(shí)，為了進(jìn)一步證明實(shí)驗(yàn)區(qū)域的磁場(chǎng)均勻性及可調(diào)性，本研究還分別測(cè)試了永磁鐵間距為120 mm、100 mm、80 mm、60 mm、40 mm時(shí)，沿半徑方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度(見(jiàn)圖3(b))，每調(diào)整一次永磁鐵間距，使用特斯拉計(jì)(HT20型，亨通磁電有限公司)從原點(diǎn)開始沿x軸每隔5 mm測(cè)量一次磁感應(yīng)強(qiáng)度.測(cè)量結(jié)果如圖3(c)所示.數(shù)據(jù)表明，隨著永磁鐵間距的逐步減小，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐步增大；且磁感應(yīng)強(qiáng)度在距離x軸原點(diǎn)-10 mm至+10 mm的范圍內(nèi)基本保持不變，該范圍大于試樣的直徑Φ12 mm，也覆蓋了實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的加載桿直徑Φ20 mm的范圍.因此，本研究采用的力磁耦合測(cè)試系統(tǒng)完全可以滿足實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)磁場(chǎng)均勻且可調(diào)的要求.

圖3 力磁耦合測(cè)試系統(tǒng)磁場(chǎng)分布圖

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁彈體壓縮模量的影響

在實(shí)驗(yàn)中，分別制備了羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、40%、60%、80%的4種各向同性磁彈體試樣，并在250 mT、300 mT 2種外磁場(chǎng)強(qiáng)度工況下進(jìn)行測(cè)試.共進(jìn)行了8組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，并取3次實(shí)驗(yàn)的平均壓縮模量作為該組實(shí)驗(yàn)結(jié)果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 磁彈體壓縮模量隨羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

從圖4可以看出，磁彈體試樣的壓縮模量隨著羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加.其中，磁彈體試樣的壓縮模量增加的幅度在羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的情況下表現(xiàn)得不明顯，如圖4中質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20%增加到40%再增加到60%時(shí)；而磁彈體試樣的壓縮模量增加的幅度在羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的情況下表現(xiàn)得非常明顯，如圖4中質(zhì)量分?jǐn)?shù)由60%增加到80%時(shí).同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同的外磁場(chǎng)強(qiáng)度工況下磁彈體均符合該規(guī)律.

2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁彈體壓縮模量的影響

在實(shí)驗(yàn)中，選取羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的各向同性磁彈體試樣，分別在110 mT、150 mT、200 mT、250 mT、300 mT、350 mT及400 mT 7種外磁場(chǎng)強(qiáng)度工況下進(jìn)行測(cè)試，每種磁場(chǎng)強(qiáng)度重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，取3次實(shí)驗(yàn)的平均壓縮模量作為該組實(shí)驗(yàn)結(jié)果.同時(shí)，選取羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的各向同性磁彈體試樣也進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

從圖5可以看出，磁彈體試樣的壓縮模量隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，但這種增加并不均勻，在磁場(chǎng)強(qiáng)度較小的情況下，如磁場(chǎng)強(qiáng)度<200 mT，磁彈體試樣的壓縮模量隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而緩慢增加；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加至某個(gè)敏感區(qū)間時(shí)， 如200 mT<磁場(chǎng)強(qiáng)度<300 mT， 磁彈體試樣的壓縮模量隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而急劇增加；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增加時(shí)，如磁場(chǎng)強(qiáng)度>300 mT，由于羰基鐵粉的磁化逐漸趨于飽和，磁彈體試樣的壓縮模量隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加又變得緩慢增加.同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磁彈體均符合該規(guī)律.

圖5 磁彈體壓縮模量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的規(guī)律

2.3 磁彈體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對(duì)磁彈體壓縮模量的影響

為了對(duì)比磁彈體內(nèi)部磁敏顆粒分布形式(隨機(jī)均勻分布或成鏈狀分布)對(duì)磁彈體壓縮模量的影響.選取羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的各向異性磁彈體試樣分別在110 mT、150 mT、200 mT、250 mT、300 mT、350 mT及400 mT 7種外磁場(chǎng)強(qiáng)度工況下進(jìn)行測(cè)試，每種磁場(chǎng)強(qiáng)度重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，取3次實(shí)驗(yàn)的平均壓縮模量作為該組實(shí)驗(yàn)結(jié)果.同時(shí)，選取羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的各向同性磁彈體試樣也進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 各向異性及各向同性磁彈體壓縮模量對(duì)比圖

從圖6可以看出，各向異性與各向同性磁彈體試樣的壓縮模量都隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，但增加幅度不同.各向異性磁彈體試樣的壓縮模量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而大幅增加；各向同性磁彈體試樣的壓縮模量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而緩慢增加.這是由于鐵粉顆粒成鏈狀分布后，在磁場(chǎng)環(huán)境下，顆粒與顆粒之間受到了更強(qiáng)的磁相互作用造成的.

3 結(jié) 論

本研究通過(guò)制備硅橡膠基磁敏彈性體并搭建力磁耦合測(cè)試系統(tǒng)，開展準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能測(cè)試，分析了羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及磁彈體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)等因素對(duì)其單向壓縮力學(xué)性能的影響，得出如下結(jié)論：在磁場(chǎng)強(qiáng)度一定的情況下，羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高則磁彈體的壓縮模量越大，并且這種影響在大質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況下體現(xiàn)得尤為強(qiáng)烈；磁彈體的壓縮模量隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，其增加幅度與磁彈體內(nèi)部磁敏顆粒的磁化程度緊密相關(guān)；磁彈體的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)能夠影響其壓縮力學(xué)性能，由于磁敏顆粒之間有更強(qiáng)的磁相互作用，各向異性磁彈體的壓縮模量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度大于各向同性磁彈體的增長(zhǎng)幅度.