（固体力学专业论文）磁流变弹性体的研制及其机理研究.pdf

中科学技术兀掌博f 世也论殳 摘要 融流变材利是类智能材料的总称，它f f _ j 的流变特性能够州外加的磁场米控制。本文系 统研宄了这类材料t p 的新成员磁流变弹性体。嵫流变弹性体由可磁化颗粒和聚合物基体 构成。住聚合物摹体矧化过棵中施加外磁场使颗粒形成链( 或柱) ? 结构，并在固化后保 留在剌料中。它的典型特扯是模量呵由外场控制。此外，它还具备其它磁控性能，如磁控电 阻等。这些独特的优点使其在可调吸振器，可调刚度的悬挂系统利可调阻抗表面等领域有着 巨人的麻川前景。 本文苒先介捌了和碰流变材料相芙的各类材料，包括各种可由磁( 电) 场控制性能的材 料和磁橡胶。着重介绍了磁流变弹性体的晟新进展并说明了磷流变材料的廊用情况。 本文对磁流变弹性体进行r 材料设计在分析磁流变弹忭体的原料特性和首次对颗粒在 磁流变弹性体l 州化过程中的运动受力分析的基础i 二研究了多种磁流变弹- 性体制备的设备和 i 艺力法：n 理论分析和实验研究的基础上，试制，高性能的磁流变弹性体。在l 特斯拉磁 感应强度f 的相对剪切储能模量能达到零场f 的3 0 0 ； 为，对磁流变弹性体的力学性能进行评估，建立了一套新的力磁耦台情况f 磁流变弹性 体磁敛粘掸性能的测试系统。将磁流变弹胜体和集中质量构成单自由度振动系统，输入宽频 的振动激励信号，测试系统输出信号，获取其传递函数，从而得到磁流变弹性体的动态粘弹 性力学阵能。“t 以测得磁流变弹性体在不同磁场、不同频率r 的动态复模量和损耗因子。 本文中，提出了磁流变弹性体零场模量和磁致模茸的瓶模犁和计算方法。健 f 纲观力学 方法计算材料零场r 的模量，解决了高颗粒体积比毋f 弹性颗粒等复杂问题，通过对颗粒磁化 场的全面分析，修止了传统偶极子模，解决了精确计算磁致模量的问题。 此外，首次实验观测到磁流变弹性体中铁磁颗粒表面的结合橡胶理论分析，其对材料 性能的影响，建立了更为精细的碰流变弹性体模，化并做了相应的实验验证。 本文还通过实验观测和力学性能分析，首次建j z 了无磁场r 制备的磁流变弹性体的相应 的简化力学模型给出了无磁场r 制备高性能磁流变弹性体的基本原则。为这种具磊方便和f 经济婶诸多优点的磁流变弹性体在| 。群中的戍川幸 l 、了基础。 最后探讨了磁流变弹性体在1 群中的应h | 。提出制造! 群实州的磁流受弹性体的基本 刀法。首次建立蛾流变弹性体冉勺非线性娥致粘弹性力学参数模型，便ri ? 群麻蹦中的力学分 析，_ i 。| 殳计了利川磁流变弹性体的多种主动蛹谐移蛳式动力吸振器和相府的控制策略。 在附录a 中介绍了磁流变液的挤压增强效应，其独特的力学性能有呵麓在将来应用r 中嘲科学技术人学协一位论立 磁流变弹性体。| ：f j 录b 和c 分别给出丁使h 拉酱拉断d 群汁算颗粒磁化场的扣导过程羊相应 均嚣鼻琏孑 对丁融流变弹性体这种新型智能材料，本文系竣f l f 究了它的制备、c 生能洲试、微观结构、 擞量计算、参数模型建立等一系列问题。并对其l 删府川进行厂探讨。当然，有些r 作还是 仞步的尚需进一步的改进与完善。 l i 堕! ! 堕! ! 塑! ! ! ! ! ! ! l 兰! 型! ! ! 竺竺! 塑坠! 型! 型! ! 壁竖 a b s t r a c t m 3 9 1 1 e t o l 】1 e o i 0 9 1 c a i ( m rjm a t e ll a li sac l a s so fs i n a nm a t e r i a l s w 1 1 0 s e r h e o j o g j c a i p 1o p e r t l e sn l a yb ec o l l t r o i i e db ya na p p “e de x i e l - n a jn l a 窖n e 【i c “e 】d i nt h j sp a p e lo n en l c l n b e jo f t h e l l l m a g n e i 。1 h e o 】o g j c a le l a s t o m e r s ( m r e s ) a r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l i ym r e sa r ec o m p o s e do f p o l a r i z a b l cp a r c i e sd i s p e r s e di nap o 【y 【1 1 e rm e d i u i n t y p i c a l i y m 8 9 n e t i cn e m s a f e8 p p l i e dt ot ；1 e p o i y r n e rc o m p o s i t e d u r i “gc r o s s l i n k i n g s ot h a t p a 九i c l e sf o r mc h a i n l i k eo rc o 】u m n a r s n l c t l l r e sw c ha r en x e dj ni 1 1 em a t “xa r e rc u r - “gt 1 1 e y a r ec h a r a c i e r i z e d b y 小e i rn e l d d e p e n d e n lm o d l i l ia n ds o m eo t h e rl l n i q u ec j l a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sn l e j r m a g n e t o r e s i s t 。l t h e s e c 1 1 a r a c t er j s i i cm a k em r e sp r o m i s i “gi n m a n ya p p i l c a “o n ss u c h a s a d a p t i v et u n e dv _ b r a t i o n a b s o r b e r sf t v a s ) s t i f m e s st u n a b l em o u n t sa n ds u s p e n s i o n s a n dv a r i a b l ei m d e d a n c e s u r f a c e s i nt h j sp a p e lt 1 1 ed e v e l o p m e n to fm rm a t e n a l sa n ds o l l l ec o r r e l a t i v em a t e r i a l sa r ei n t r o d u c e d n r s t i yt h c yi n c i u d en e i d - r e s p o n s j v em a t e r i a l sa n dm a g n e t i cr u b b e lt h er e c e n l s t l l 曲o fm r e l a s t o m e r si sr e v i e w e di nd e ta i l s o m ea p p l i c a t j o n so fm rm a t e r i a l sa r ea l s oi n t m d u c e d t h e n ，e h ep r o p e n l e so fm r e l a s t o m e r s t w 。c o m p 。n e n t s ：r u b b e ra n dm a g n e t i z a b ep a n i c i e s a r e p r e s e n t e d - s e v e r a l k i n d so fm r e sa r ef a b “c a t e d b y d i 仃e r e n t p r o c e s s i n gt e c h n i q u e t 0 o p “n l i z et h 。p r o c e s s i n gt e c h n i q u eo fm r e s ，t h ee x o g e n i ca c t i o n0 1 1t h em a g n e t j z a b l ep a r t i c i e si n m em a 【r i xb e f o r ec r o s s i i n k i n ga r es t u 小e d b a s e do nt h et | 1 e o r e t i c a i a n a i y s i s ，e x p e r i m e n t sa r e c a r e do u lr e s u 】t ss h o wt h a tt h er e l a t l v ei n c r e m e 眦o fs h e a rs t o r a g em o d u l u so fm r e s m a d eb y t h 。0 p t 油i z i n gt e c h n i q u ei s3 0 0 w h e nt h em 8 9 n e c i cn u xd e n s i t yi sc h a n g e df r o m0t o e s i a t oe v a f u a t et h em r e s m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e as y s t e mf o rt e s t j n gm r e sv i s c o e i a s t i c b e h a v i o rl i n d e rt h ec o i p l i n go fs t r e s sa n dm a g n e t i cn e i di ss e tu p as i n g i ef r e e d o mv i b r a t o ri s c 。m p o s e do fm r e ss a m p l ea n dam a s s b yp r o c e s s i n gt h ew i d ef r e q u e n 。yr a n g ei “p u ts l g n a ia n d o 呲p u ts i g n a lo ft h ev 佑r a t 。r ，i t st r a n s f e rf u n c t ；o ni sa c l l l e v e d t h em r e s d y n a m i cm e c h a n i c a l b e h a v i o rc a nb ec a 】c u l a t e d b y l h et r a n s f e rf l i n c t i o n t h i s t e s t j “gs y s t e mc a no b l a i nf h es h e a r s t o r a g em o d l 【1 u sa n d 】o s sf a c t o ro f m r e s a td i f k r e n tn e q u e n c i e sa n dd i f f e r e n tm a g n e t i cn e i d n e wm o d e i sa n d c a l c u l a t i n gm e t h o d so f m r e 5 1m o d u l u si nt h ea b s e n c eo f m a g n e t i cn e 】da n d l nd i f k r e n l “e i d i n t e n s i t y a r ef o u n d e d b yu s i n gt h em i c r o m e c h a n i c si n e t h o dt oc a l c u l a t et h e z e m n e dm o d u i u so fm r e s ，i tc a nd e a lw i t ht h e c o i n p l e xp r o b l e m ss u c ha sh i g hp a 币c 】e s v o l u m ef r a c t i o no r e l a s t i 。p a r t i c l e s b a s e d o nt h ea n a l y s i so fm a g n e t i cn e i dj n m a g n e t j 2 a b j e p hdd 1s s e n a l l o no r u n l v e r s l 【) o fs c l e l l c ca n d i e c h n o l o g ) o f c h l n a p a n l c l e sl nd e t a l l m el r a d l t l o n a 】d l p o i em o d e li sr e 胁e df u n l l e m l o r e b 0 l l n d r u b b e ri so b s e r v e d i nm r e sb ya t 1 a l y z i n 擘i t s j n 们u e n c eo nm r e sb ej 1 a v i o a c o m p r e h e n s i v em o d e li sb r o u g h t f o r 、v a r da n dav e r i n “ge x p e li 1 1 1 e n ti sc a r r i e d0 l l ta s i m p i em o d e lo 九h em r e s t h a ta l ep r e p a r e d 、v i 1 1 0 l l t e x t e r n a 】m a g n c f i c 如e l dj sb r o l l g h tf 0 1 w a r dr o l - 【】1 e n r s fc i m eb a s e do nt h ee x p e “m e n t a l o b s e r v a “o na n dm ea n a l y s j so fm r e sm e c h a n i c a lb e h a v i o ls o m eg u i d e sf o rf a b r i c a t j n gh i g h q l l a i i i y m r e sw l t 】1 0 u t m a g n e t i c 打e i d a r e p r e s e n t e ( 1t l _ l i sw o r k d e v e l o p s m e p r e l j l l l i n a r y i n v e s t j g a 【i o nf o l _ t h i sk i n do f c o n v e n i e n ta n de c o n o m j c a lm r e s a p p l i c a t i o l li n i n d u s t r y f i n a l | y 1 e i ra p p l j c a t j o nj nj n d u s t r yi sd i s c l l s s e d t h ea d v l c e st op r e p a r el i s e f l l im r e sa r e d i s c l l s s e d a p a r a m e l c fl n o d e io fm r e s sb f o u 曲lf o r w a r df o rt h en r s i m e hc a nd e s c r b et h e r n a g n e t i cc o n t r o j i e dn o n l n e a rv i s c o c i a s t i cp r o p e n i e so r m r e st h i sm o d e lc a nb eu s e dt oa n a i v z e t h er e s p o n s eo fm r e sd e v j c ei n 3 p p l i c a l j o n s e v e r a lk j n d so fa c l i v ev b r a l j o n a b s o r b e l _ u s i “g m r e sa r ed e s j g n e da n dc o l r e s p o n d i n gm e t h o d s a r ed j s n i s s e d 1 n a p p e n d i xa ，t h em e c h a n i s mo fs ql i e e z e s t r e n g 她ne 雠c ti nm a g n e t o r h e o l o g i c a i 门u i d si 5 d i s c u s s e di t sr e s u l t sp m v i d eg u i d et op r e p a r eu s e f u im r e sl n a p p e n d i xba n dc t h ed e d u c t i v e p r o c e s sa n dc a l c u l a t i n gp r o g r a mo f l a p l a c ee x p a n s i o na r ep r e s e n t e d m r e sa r ea “n d0 fn e ws m a nm a t e r j a l - t h i sp a p e rtr i e st os t u d yl t sf u n d a m e n t a ip r o b i e m s ， s l i c ha sj t s f a b r i c a t i o n ，m e c h a n i c a lb e h a v i o rt e s t i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ，m o 血i i u s d r e d i c “o na n d m r 氐1 p a r a m e l e fm 。d e l l t sa p 圳i c a t i o n ；n ；n d u s t r yi sa s od i s c u s s e d t h e ya r es t p r i m a r ya n d r o u g h a n di t i se ”p e c t e dt ob ei m p r o v e di nt h ef l l n h e r v 致谢 值此论文完成之际，谨向张培强教授和龚兴龙教授两位导师表示最诚挚的谢 意。三年来，我的每一点进步都离不丌两位导师的悉心教导和培养。张老师渊博 的学识、精辟的见馋和宽厚的为人，龚老师峰实的数理基础，丰富的实验经验与 技能、杰出的创新能力和孜孜不倦的教导以及他们对学生在生活和工作上的细 致关怀，都给我留下了深刻的印象，是我以后工作和学习的楷模。 衷心感谢张师母王琪民老师在硕士生阶段对我的培养和多年来对我的关心 相帮助。 感谢方牛硕士，在研究磁流变弹性体性能的起步阶段，我们热i 一完成了许多 工作，为我今后的研究打下了基础。同时要感酣朱应顺同学，我们进行了多次的 理论探讨并共同完成了部分有限元分析。 感谢李卫华博士在论文写作上的帮助。 感谢陈祖耀教授、江万权博士、郝凌云博士和王银玲同学在材料制备上有益 的建议。 感谢课题组所有成员共同营造的良好学术氛围和工作环境。特别感谢李剑锋 同学帮我完成了部分论文材料的整理工作。 最后要感谢我的父母和妻子为我的学习创造了优越的条件，没有他 f j 的支持 和付出，我就不可能完成学业。希望亲人们能和我共同分享完成论文的喜悦。 中囱科学技术大学博i 学位论支 第一章绪论 作为l b 磁流变木才料的+ 个新的分支，近年来，磁流变弹性体( m a g n e t o r h e o l o g i c a l e l a s t o m e “1 的机理和应用研究越米越受到重视。在动力系统的、r 主动隔振器、主动式动力吸 振器、l 嵘声控制、抗冲l _ | _ 装置、磁控作动器以及电磁传感器等多个研究领域，磁流变弹性体 都具有广阔的研究和麻用前景。为了体现电磁流变材料研究的延续性，本章将首先简要介绍 l u 磁流变材料，再就圜内外对丁磁流变弹陛体的物理机理、测试和应用研究等问题进行综述， 建立陵领域必要的背景知识剪在此基础上提出本文的研究内容以及立题依据。 1 1 电磁流变液 1 9 4 5 年w i n s 】o w 发现电流变效应 1 ，2 ，就在w i n s l o w 申请电流变液专利( 1 9 4 7 ) 的 第一年，美国的r a b l n o w 发明了明于磁流体离台器( 1 9 4 8 ) 的磁流变液 3 ，4 。由于电场与 磁场之间是对偶的，而且电流变和磁流变材料的作j = f j 机理十分相似( 都是由颗粒极化引起 的) ，因此这两种材料被归为同一大类智能材料：电磁流变材料。 电流变液( e l e c t o r h e o l o g j c a if i u j d ：e r f ) ，是这样一类液体的总称：在外加电场的作用 下液体的粘性会随电场强度的增加而明显增大；当电场强度达到某一临界值时，它会发生 相变而迅速吲化。周化过稗在瞬间即可完成，所需时间通常在毫秒量级。该过程具有可逆性， 即在电场撤消之后电流变液又马上会从固态变成液态。以上在电场作用下流变特性发生变 化的现象称为电流变效应。通常电流变液是一种两相悬浮体系，由z i 导电的母液和均匀散 布在其中的电介质微粒组成( 通常颗粒的介电常数要远大于母液的介电常数) 。 典裂的电流变液颗粒n j 以用o 5 1 0 0 微米的玉米淀粉、硅胶、钛酸钡或、f 导体颗粒f 5 。 对丁硅胶颗粒，需要添加聚合高分子电解质形成特殊材料来吸附水，增加颗粒问的静电吸引 力米提高电流变效应。这些水还在颗粒表面形成了导电层，这样在电场下，水中的离子可以 移动6 1 。这些树利破称为可挤压极化材料，电流变效应由界面极化效应造成。电流变效应 随着吸水量的减少而减少。这样，在约5 0 时，电流变效应显著下降，温度不稳定性限制了 l b 流变液的应用潜力。而铁电材料、无机材料、聚合半导体、金属、包裹导体和液晶等材料 都被用丁佛0 造无水电流变材料【6 】，这些材料被称做同有可极化材料，它们的功能来自下体 积极化或界面极化。它们的剪切屈服强度受温度影啊较小，这会帮助扩火电流变液的温度应 用范隔。w e s i si 作鲳报道了l o r d 公司一种电流变液( v e r s a f i oe r2 0 0 ) 在4 k v ，m m 电场f 达 到35 k p a 的剪切扁服强度1 7 】。在电磁流变现象被发现后的几十年里，电流变学得到了j 泛的 重视井取得r 很大的进展，不同母液和悬浮颗粒的电流变体及无水电流变体相继被研制出 第一章绪论 米。近年来，采州纳米粒子和特殊的包裹技术，更是自剪切屈服强度达2 0 0 k p a 的新型高强度 电流变液被研制山来 8 。 磁流变液( m a g n e t o r h e 0 1 0 9 i c a if l u i d ：躲f ) 是另一类液体的总称：当不加磁场时，这类 流体与湾通的牛蝴流体- f 生质相似，而一旦加磁场，流体性质会发生急剧变化，呈现出类幽体 的特征，萌切屈服强度和表观粘度会增加若干个数量级，去除磁场后材料又会回复到原来 的：陕态。这种变化可以瞬间完成( 皂秒量级) 。磁流变液是一种由低磁导率的母液和均匀散布 在其中的高磁导率微粒( 如铁粉) 组成的悬浮液。如果液体的磁导率大丁颗粒，则称该材料 为】n v e ”e dm r f ，它是将比铁磁流体中磁化颗粒的尺寸大一到两个数量级的书磁性颗粒悬浮 在流体中制成。也就是，非磁性颗粒在磁性连续体媒介之中【9 。1o 。颗粒的尺寸、形状、 密度、颗粒尺寸的分布、饱和磁化率和矫顽力对其特性都是很重要的。除了磁性颗粒外，母 液、表而处理刹、添加剂都是对磁流变液的流变特性、稳定性和重分散性起重要影响的因袭。 由丁- 颗粒的沉降及磁流变材料长期的化学和物理稳定性问题难以解决和励磁装置较为 复杂，做流变液的研究和应用在八十年代前一直处于停滞状态，很少有人注意到它的存在。 卣到第h 崩国际电流变国际会议上，许多磁流变研究成果开始展现，大家才将电流变液和磁 流变液统称为场致可控流体。它们的基本原理非常接近，一般认为它们都是可极化颗粒在 外场作煳f 被极化成偶极子，相互吸引形成链状和柱状结构，从而使其具有了抗剪切能力。 外场去除后，热运动力引起的布朗运动使颗粒重新均匀分散开，呈现流体状态。通常，可以 瑚简单的b i n 2 h a m 塑性模型描述它们的剪切屈服强度和颗粒链作用造成的粘度变化的关系 f l i 。 僦流变液的实验和机理研究受到国际上的普遍关注，根据p h u i 和g j n d e r 的实验，4 0 体 积比的铁革磁流变液在l t 的磁场强度f 可达到约1 0 0 k p a 的剪切屈服强度【1 2 。w e j s s 的工作 组报道了磁流变液在3 0 k o e ( 3 t ) 下的剪切屈服强度可达9 0 一1 0 0 ”a 【7 】。南伊里诺大学的rt a o 和美国福特汽下公司的g i n d e r d a v i s ( 1 9 9 4 ) 分别用有限元和数学分析的方法分析了磁场与 剪切屈服强度的关系，磁流变液的增强效应以及结构的演化，以及羰基铁作为磁流变液悬浮 颠粒的文验验证摄据1 1 3 ，1 4 】。j o l l y 等( 1 9 9 6 ) 对丁磁流变液的理论堀服强度也利用“成链” 理论做了数值分析 i5 。k l i n g e n b e 曜等人| 支期从事磁流变液在磁场作用下流变学的研究，对 _ 畦1 液楣与同相2 问的转变提出了许多独到的见解 1 6 】。唐新鲁、剐i s k o 则对电磁流变液在 复杂条什r 的鲭构演化进行了深入研究 】7 。b o s s i s 等人长期从事磁流变液的机理研究，解 释了颦而效应【1 8 1 9 】。而m m o h e b i 、v o np f e i l 和周刚毅、方生等人还对旋转磁场作州下磁 流芟液颗粒廷动及结构演化做了分析等【2 0 一2 2 】。 2 中国科学技术大学博p 学位论文 1 2 铁磁流体 铁磁流体( f e r r o n u i d s ) 是一种磁性液体，为包含氧化铁( r f e 2 0 3 ，f 0 3 0 4 ) ，锰锌( m n z n ) 铁索体【2 3 、铁( f e ) 和钻( c o ) 等单磁畴的超细颗粒( 典型的为5 1 0 n m ) 分布在水基或 无水液体如硅油等中形成的胶体悬浮液。因为颗粒的磁化相尺寸非常小，在普通的场强r ， 热i 薹动作抖3 力产生的布朗运动力超过了偶极f 的有序排布力。另外，磁流变液是基于铁磁性 颗粒而铁磁流体是基于超顺磁材料的。故铁磁流体会在整个材料中产生和磁场梯度成比例的 体力。铁磁流体表现出场致粘度但是在磁场f 不表现出剪切屈服强度( r 。= 0 ) 。铁磁流体可 被用r 旋转密封、电磁轴承和马达阻尼器等f 2 4 ，2 5 】。狭义上讲，铁磁流体不属于电磁流变 材料的范畴。 1 3 磁流变泡沫 由丁磁流变液的k 效性，如：长期使崩变稠，颗粒磨损等长期的化学和物理的稳定性， 仍然术得到很好的解决；另外由于磁流变液器什需要密封、对机械的加t 精度要求严、制各 成本高等原因均制约了其应用的广泛性，己成为磁流变液推广应用的瓶颈。 磁流变泡沫( m a g n e t o r h e o l o g i c a if o a m ) 材料可以部分解决这些问题。磁流变泡沫实际 上是磁流变液的一种特殊使用形式，其基体的一个主要组成部分为吸收基质如海绵类材料， 通过毛细作_ | ；l 吸附磁流变液。也就是说，磁流变泡沫的基体是由油或水基的液态材料和海绵 类吲态利料的复合。其： 作原理和磁流变液相同，也是依靠磁场调节其剪切屈服强度。但是 田为其一般的表现形态为类同体状态，所以具备不需要盛装容器和密封装置，对机械加工精 度要求不高等特点，简化了机械结构，降低了使i ； j 成本【2 6 】。磁流变泡沫可以部分取代磁流 变液制造如磁控圆片刹盘、磁控阻尼器等设备。它在一定程度上可以看作是磁流变液和磁流 变弹性体的过渡产品。 1 4 磁性橡胶 磁性橡胶( m a g n e t i cr u b b e r ) 是由磁性粉末状材料、橡胶和少量配合剂经过精细制造， 如混炼和硫化而制成的弹性磁性材料( 还有一类是使用本身就具备有磁性的高分子材料单体 聚合而成，但是其磁化程度较低，还无法实用化) 。它既具有一定的磁性，又保持着橡胶的 高弹胜，基于添加的磁性粒子不同，磁性橡胶被分为软磁、硬磁或永久磁性材料【2 7 2 9 。主 要利用的是粒子的固有磁性和橡胶的易加工等特点。磁性粒子一般使用铁氧体和钏钴、铈钻 3 第辛绪论 等稀 类磁性材判。其必须在15 0 0 0 奥斯特的外加磁场作用下才能充分磁化。基体为各种天 然或合成橡胶。 碰陀橡胶的用途也很j 、泛，其中便磁磁性橡胶主要被用于需要剩磁较强的工q k 产品中， 如冰箱f j 、汽车车窗耵建筑物fj 窗的密封条等、直流电动机中取代磁钢作为磁源、转轴的制 动装置、电磁波的吸收体、教具、绘图板、玩具、文具、铁粉过滤、磁性搬运、非接触式轴 承、计量仪器检测仪器及嫩性牙刷、磁化杯等医疗器械等近年来，在铁路运输系统中出现 了以磁性橡胶与金属等复合的减振材料，它借磁性吸力贴附在铁轨旁侧和铁路桥的腹板或钢 粱r ，起剑降低振动和噪声的作用【2 8 ，2 9 】。而软磁磁性橡胶，主要用于无线电技术、电视音 像、通讯技术、电子计算机的记忆装置等。 磁性橡胶除i ，具有较好的弹性这一特点外，和普通磁体一样具有可磁性，在实际使用中 利用的是它的磁学特性。并不能通过外场改变其力学等其它各种性能，也就是说，磁性橡胶 不是一种宏观力学性能可以通过外场来控制的智能材料。和智能材料类的磁流变材料不属于 同一个范畴。 1 5 磁流变弹性体 磁流变弹性体( m a g n e t o r h e o i o g i c a le l a s t o m e r s ：m r e s ) 是磁流变材料家族的新秀。为了解 决磁流变液的易沉降、稳定性差、颗粒易磨损等缺点人们添加各种稳定剂等添加成分直到 使川海绵材料来吸附磁流变液。最终发展到使用高分子聚合物( 如橡胶等) 来取代磁流变液的 油基或水基的液态基体。但磁流变弹性体在制各方法和工作状态上和磁流变液或磁流变泡沫 已经有了很大的区别，主要表现在： l 磁流变液或磁流变泡沫中的铁磁性颗粒在零场f 处予自由热运动状态，而在磁场作用f 颗粒被磁化后会发生“相变”形成链状或柱状结构，在磁场作用下微观结构的巨大变化造成 r 其宏观力学性能也发生了巨大的变化。一般情况卜- ，可以通过磁场改变磁流变液的剪切屈 服强度剑个数量级以e 【1 5 】。对于磁流变弹性体，由于铁磁性颗粒是被固化在弹眭体基体 里，其移动受到了限制，在加磁场前后不会发生相变现象。 2 。磁流变液或磁流变泡涞在使用过程中，主要是1 作在屈服后和流动阶段，通过加上磁场 政变材料的剪切屈服强度来实现智能控制。而磁流受弹性体只能工作在屈服前阶段，用磁场 改变材料的模晕和咀屁来实现智能控制。如果达到屈服点以后，磁流变弹性体就可能会被破 坏而无法恢复了。 4 中国科学技术人学博j 学位论史 融流变弹性体是将微米级软磁性颗粒( 如羰基铁粉) 散布在高分子聚合物( 如橡胶等) 中 形成特定结构扁闻化制成，在无外磁场情况f 一般不希望其表现出剩磁现象。由于其颗粒被 同定在基体中，不存在颗粒沉降问题，因而与普通磁流变液相比磁流变弹性体不但具有可 控性、可逆性、响应迅速等高技术特征还具有稳定性好、结构设计简单、制备成本低等独 特的优点。由丁嫩流变弹性体兼有磁流变液、 磁学请| 生能可以m 外加磁场来控制，因此作为 的工程应用前景。 弹性体两方面的诸多优点，它的力学、电学、 一种新型的智能材料磁流变弹性体具有广泛 磁流变弹性体的雏形出现在1 9 9 5 年，t s h i g a 等人尝试使用硅树脂和铁粉混合制各出具 有磁控性能的材料 3 0 】，该材料当时被称为具有磁致粘弹性的凝胶。 随后美国l o r d 公司的研究人员j o i l y 、c a r l s o n 等人对磁流变弹性体的力学性能进行了初 步测试和分析，j o i i y 使用硅橡胶作为基体制各出的磁流变弹性体，外加磁场在o8 t 时，磁 流变弹性体的剪切模量比无磁场时初始值增加约4 0 【3 1 】： f o r d 公司研究组成员o i n d e r 、d a v i s 等人对基体为天然橡胶的磁流变弹性体进行了建模 并对其粘弹性行为进行了研究【3 2 ，3 3 】，d a v i s 理论计算发现颗粒的最佳体积比为2 7 此 时磁饱和后其剪切模量的相对改变量为5 0 【3 3 ；其中g i n d e r 等人基于磁流变弹性体设计 出了可控刚度的汽车轴衬( b u s h ；n 曲以及可调节的吸振器( m n e d v b r a t i o na b s o r b e r ) 3 4 ，3 5 ，并 申请，专利【3 6 】； 其它的研究包括：法国的b o s s i s 则对电磁流变弹性体的电学、磁学、光学等物理性质 进行了初步的观测【3 7 ，波兰的b e d n a r e k 也对磁流变弹性体的磁致伸缩特性进行了较系统分 析1 3 8 ； 1 俄罗斯的d e m c h u k 等人分别以明胶、普通硅橡胶以及一种热敏性硅橡胶作为基体 材料制备出磁流变弹性体【3 9 】；瑞典的l o k a n d e r 等人在制备时基体分别使用丁苯橡胶、丁腈 橡胶与丙烯腈的不同组合以及天然橡胶，同时发现即使固化时不加磁场，选用形状不规则较 人的纯铁颗粒的磁流变弹性体的效应也很明显，在外加磁场为o 8 t 时剪切模量的相刘增加 量可达2 0 【4 0 4 l 】。奥地利的d o r f m a n n 等人分别利用不变量理论及选用应变能函数对磁 流变弹性体在平板剪切及圆柱轴向剪切下的力学性能进行了分析【4 2 ，4 3 】。r j c e 大学的b o r c e a 等人庸川最小能昔原理，分析了磁场对各向同性的磁流变弹性体的拉伸、压缩性能的影响 4 4 】。口本的t e t s u m i t s u m a t a 使用乙烯基、聚乙烯醇、戊二醛等一系列化学物质和1 艺制备 钡铁氧合物作为磁凝胶。使用高磁场使其磁饱和，用超声波激励的波速来测试其模量 4 5 。 而美国的m a l c o l mj w i i s o n 等人用6 微米羰基铁粉颗粒，聚亚安酯添加氧芴( 一种烷烃) 和 硅橡胶添加砖油作为基体，给出了不同配比下材料的液体- 胶体- 固体转换曲线等基体配用准 5 第辛绪论 则【4 6 1 。美国的a n n e m a r i e a l b a n e s e 使用以滑石粉补强的硅橡胶为基体的磁流变弹性体用于 减振的开关控制研究【4 7 。加拿大的y s h e n 用聚弧安酯和天然橡胶两种基体制备磁流变弹 性体。并建立了力学模型f 4 8 1 。此外，l o k a n d e r 还通过实验发现，提出大体积比磁流变橡胶 的抗氧化性f 降显著r c l 和高温) ，因为表面的铁颗粒会加速橡胶的氧化而材料的表面 覆盖抗氧化的橡胶可以显著提高材料抗氧化性，从而能够提高其化学和物理稳定性【4 9 。 f 表是上面捉到的各种相似材料的综合比较表。 表151 电磁流变及相关利科特性比较表 颗粒最人表观粘度 名称粮粒材料綦体 力学性能( k p a )控制方式 j t 寸场强( p a s ) 钵酸钡等 剪切屈服强度( 动 电流变0 1 1 0低介电常数的 瑚极化的态1 2 1 0 k p ao2 10 高压电源 液 um f k v ，m m l 绝缘材料l 静态砼0 0 k p a 磁流变软磁性材 0 卜1 0低磁导率的油、 2 5 ( )剪切屈服强度( 动永磁体或电磁 02 一l0 液 料 u m 水等流体 i a ，m m ) 态) 5 0 l0 0 k p a铁与低压屯源 低磁导率的海 磁流变软磁性材 0 1 i o 2 5 0剪切屈服强度( 动永磁体或电磁 绵状炮沫和油、 泡沫料 um ( a m m ) 态) 5 0 1 0 0 k p a铁与低压电源 水等流体 铁磁流软磁性材 2 1 02 5 0 油、水等流体粘度可提高2 0 0 0 0 2 05永磁体 体丰4 n mf a ，m m i 磁性橡硬磁性材 05 3 天然或合成橡 胶 料为土 u m 胶 模量变化 磁流坐软磁性材 3 2 0 0橡胶类的弹性 2 5 0 ( 剪切模量) 相对 永磁体或电磁 弹怿体料 p m 体聚台物 ( a ，m m ) 量5 0 绝对量 铁与低压电源 0 6 m d a 1 6 电磁流变材料的工程应用 近二十年来，电磁流变液在工程上的应用探索获得了迅猛发展。八十年代，涌现山关于 电流变材料的人量专利和装置 5 0 以及用于建筑上的电流变减振器 5 1 ，5 2 。电流变液最可 能用1 一阀、悬挂系统、离合器、刹车和阻尼器等。然而，它们离商业化还有相当的距离。 较早在磁流变液的 群应用研究中进行探索的是自俄罗斯传热传质研究所的k o r d o n s k y 领导的小组 5 3 5 9 j 。l o r d 公司的c a r ls o n 等人则随后申请，新型磁流变液和磁流变设备的 专利，并开始专业研究、制各、销售磁流变液及开发磁流变液应弁；| 器件，率先走上了商品化、 产业化的道路。侄磁流变液的制各方面他们解决了许多技术问题，如沉降、长效性等f 1 5 ， 6 中国科学技术入学博寸学位论义 6 0 ，6 1 。l o r d 公司的产品已被作为实验、测试、应用的标准，目前已申请了几十项关于电 磁流变液器件方而的专利，每周的磁流变液销售量达数吨2 多。f o r d 汽车公司以g i n d e r 和 d a v js 为代表的嫩流变液小组长期从事磁流变液的机理及应用研究【6 2 ，6 3 - 6 5 。为磁流变液 性能的提高以及在汽车上的应用作山了贡献。s p e n c e r 等人研究了磁流变液器件在半主动控 制方面的应朋f 6 6 ，6 7 】。 往现庄的市场上，半主动振动控制和力矩传递是磁流变液应用的重要增长点。冲击缓冲 器、可调阻尼器、半土动减振阻尼器、制动闸、离台器和密封装置是磁流变液最活跃的使用 领域【15 ，6 8 7 0 】。住这些应用中，流体的流变性能、器件的工作模式、磁力回路的优化设计、 磁感廊的引导和线圈构造都是这些执行器和器件使j = = | 的关键参数【7 1 7 2 】。 目前已经商品化或正式使用的磁流变液器件包括光学透镜磨制加工工艺( 白俄罗斯 k o l d o n s k il 作组，b y e l o c o r ps c j e n t 讯cl n c ) 、用于改变流量和压降的磁流变阀和用于轴承密 封的磁流变密封圈 5 4 】、健身器材中的可调磁流变液旋转阻力器( 美国l o r d 公司) 、c a d i l l a c 豪华轿车上使用的m a g n er i d e 半主动磁流变悬挂装置( 美国d e i p h i 公司) 、赛车用的防冲 击减震器( 美国c a r r e r a 公司) 、斜拉索桥钢索的磁流变阻尼减振器( 中国湖南洞庭湖大桥) 、 i 尊物馆建筑中的防地震磁流变液阻尼器( 日本) 7 3 等。美国l o r d 公司的商品包括重载车 辆座位悬挂系统、用于为锻炼设备提供可调旋转阻尼器和为不同工业中应用的减振阻尼器如 洗衣机的阻尼器【7 3 和n o t r ed a m e 大学联合开发的磁流变液阻尼器仅以1 0 瓦的电力输入 可以，“生高达2 0n 屯的阻尼力和l o r d 公司最近开发出在2 a 电流下能产生18 0 k n 阻尼力的阻 尼器，使得磁流变液在建筑、桥梁中能被用于抗击地震。而磁流变液器件在医学上的应用( 如 癌疝：治疗【5 5 ) 和声波控制 5 6 】，机械人关节，假肢，触觉手套等开发为其展示了更加广阔 的席川前景【5 7 5 9 。 磁流变液在军事上的用途非常广泛。图1 6 1 是美国的悍马( h u m m e r ) 战车其装备 的由计算机控制的磁流变悬挂系统由a 邢yt a n ka n da r m a m e n t sc o m m a n d ( t a c o m ) 研制。 剀1 62 刚帕奇a h 一6 4 直升机的机关炮( c h a i ng u n ) 装备有美国s y s t e m sa n dp i a n n i n g a n a i y s i s ， i n c ( s p a ) 磷发的、主动控制的磁流变反冲阻尼系统。该研究受到美国a f m yr e s e a r c h l a b o r a t o r y ( a r l ) 的资助。图1 6 3 为m i t 的g a r e t hm c k i n l e y 教授上e 在使用磁流变液研制瞬 时装7 f ( j n s t a n ta r m o r ) 。在磁场控制f ，这种包含磁流变液夹层的织物立刻会变成坚固的装甲。 该项目受到戈国军方的a r m y r e s