磁敏橡胶超声模量的测量

磁敏橡胶超声模量的测量

0磁敏橡胶材料的动态特性磁敏橡胶材料是一种多功能的磁体材料。它由磁性橡胶和弹性材料组成，具有动态磁体的切割模型。当磁体发生变化时，可以及时控制刚性，并且可以广泛应用于振动的主动控制。磁敏橡胶的力学性能可以随外加磁场感应强度变化而变化,尤其当磁敏橡胶在磁场下制备时,磁性颗粒会在磁场方向形成链状或柱状结构,垂直于磁场方向的剪切性能受磁场的影响较为明显,成为人们研究的重点。本文测试了各向同性磁敏橡胶的弹性性能,与现有的各向同性复合材料模型进行了对比研究,通过比较各向同性和颗粒成链磁敏橡胶的弹性性能,揭示了磁敏橡胶材料的不同力学行为。目前,磁敏橡胶的材料和器件的应用尚未达到工业化和商业化的要求,这主要是由于目前研制的磁敏橡胶存在磁流变效应与力学性能矛盾的现象,为了获得相对较高的磁流变效应,研究人员主要采用室温固化有机硅橡胶和硅胶等软性材料为基体,而这些材料的力学性能较差,限制了磁敏橡胶器件在高强度环境下的应用。1弹性模量的测量首先,采用脉冲回波技术测量磁敏橡胶的纵向模量(c11),即采用射频技术发射纵向声波进入材料来测量c11,记录回波并计算材料的纵向声速。脉冲纵向射频波频率约1MHz,由一个接触传感器发射声波进入磁敏橡胶,用测试系统记录回波。为了确保接触良好,在磁敏橡胶及传感器接触表面之间涂抹硅油。纵波为压缩波,颗粒运动方向平行于纵波的传播方向,从回波传播的间隔时间,可计算出材料中声波的传播速度。声波的传播速度与c11的关系如式(1)所示。c11=λ+2G=ρν2(1)式中λ——Lame常数,GPaG——材料的剪切模量,GPaρ——材料的密度,kg/m3ν——声波在材料中的传播纵向速度,m/sc11——磁敏橡胶的纵向模量,GPa图1给出了实测的各向同性和颗粒成链磁敏橡胶的c11,颗粒成链磁敏橡胶c11的测量方向平行颗粒链的方向。从图1可以看出,随着含铁颗粒填料体积分数的增加,各向同性磁敏橡胶的c11呈上升趋势,从纯有机硅橡胶的9GPa增加到含铁颗粒填料体积分数为30%的24GPa。含铁颗粒填料体积分数相同时,在颗粒链方向上颗粒成链磁敏橡胶的c11远远高于各向同性磁敏橡胶。从实测各向同性磁敏橡胶的c11可以计算出其体积模量(K),如式(2)所示。K=λ+2G3=c11−3G4Κ=λ+2G3=c11-3G4(2)因为各向同性磁敏橡胶的G和c11相差很大,其K和c11几乎相等。对于完全弹性或平衡时的黏弹性固体,平衡时的弹性模量(E)与G、K的关系如式(3)所示。E=G(3λ+2G)λ+G=9GKG+3K=2G(1+υ)E=G(3λ+2G)λ+G=9GΚG+3Κ=2G(1+υ)(3)式中υ——柏松比E——弹性模量,GPaK——体积模量,GPa由于G和K具有时间依赖性,对时域积分,把E(t)变成G和υ的形式。在类硅橡胶的软弹性固体中,定义较宽的时域,K(t)往往比G(t)大2个或2个以上的数量级。这种情况下,所对应的υ非常接近0.5,υ对时间的依赖性可以忽略,式(3)可简化为:E=3G(t)(4)式(3)适用于一般聚合物的拉伸或剪切试验。式(4)仅适用于υ非常接近0.5的小变形和小变形率的材料。2u3000静力动态挠度曲线采用动态力学分析仪对含铁颗粒填料体积分数不同的磁敏橡胶进行三点弯曲试验,用Rayleigh方法计算各向同性磁敏橡胶的弹性模量。与静态情况相比,施加外部振荡力F0,各向同性磁敏橡胶矩形样本的最大挠度为Z0。Z0=F04Ews(Lshs)3Ζ0=F04Ews(Lshs)3(5)式中ws——样本宽度,mmLs——样本长度,mmhs——样本高度,mmZ0——最大挠度,mmF0——施加的外部振荡力,N在共振时Z0非常小,仅0.01～0.1mm。因为相对于振动系统的质量,样本的质量非常小,故可以假定,在振动中矩形样本的动态挠度曲线与相同大小的静力所造成的静态挠度曲线具有相同的形状。弹簧常数k为样本长度上改变的单位力。静力F0所造成的静挠度为:Z0=F0kΖ0=F0k(6)E=k4ws(Lshs)3E=k4ws(Lshs)3(7)从图2可以看出,随着含铁颗粒填料体积分数的增加,E从1.2MPa增加到2.7MPa。当施加外部磁场时,含铁颗粒填料体积分数小于15%时,E没有变化。继续增加外部磁场强度,含铁颗粒填料体积分数达到27%时,E的最大增幅约为0.5MPa。含铁颗粒填料体积分数为17%～25%时,外部磁场强度从0.13T增加至0.3T,E变化很小。从图3可以看出,在无外加磁场以及外加磁场强度分别为0.13T和0.3T时,各向同性磁敏橡胶的剪切模量随含铁颗粒填料体积分数增加而增大。无外加磁场时,含铁颗粒填料体积分数从0增加到30%时,磁敏橡胶的剪切模量从0.4MPa增加到0.9MPa左右。施加外部磁场时,含铁颗粒填料体积分数超过15%时,磁敏橡胶的剪切模量开始增加。由于施加外部磁场,含铁颗粒填料体积分数介于25%～27%,剪切模量的最大增幅达到10%。3充填体状“n”的变化颗粒成链磁敏橡胶的E在很大程度上依赖于测量的方向。从图4可以看出,在平行于颗粒链的方向,没有施加外部磁场时,含铁颗粒填料体积分数从0增加到17%时,颗粒成链磁敏橡胶的E从1.2MPa增加到2.5MPa,但含铁颗粒填料体积分数超过17%后,E保持在一个相当稳定的水平。当施加外部磁场时,含铁颗粒填料体积分数在25%～30%时,E增加很小,最大改变量约为0.5MPa。从图4还可以看出,在垂直于颗粒链的方向,没有施加外部磁场时,颗粒成链磁敏橡胶的E急剧增加20%后下降。含铁颗粒填料体积分数为20%时,E达到最高值为3.7MPa。当施加外部磁场时,含铁颗粒填料体积分数超过20%后,E增加幅度较小。含铁颗粒填料体积分数为17%～30%时,E出现最高值为1.3MPa。颗粒成链磁敏橡胶往往被视为具有立方晶格结构的材料。这个假设基于有关磁流变液的研究,在磁流变液中颗粒可以相当自由地沿着磁力线排列,形成相应的颗粒阵列。从立体对称来分析,3个相互垂直方向测量的弹性模量值应在同一数量级范围内。本文研究结果表明,含铁颗粒填料体积分数超过15%时,在平行和垂直于颗粒链方向所测得的E值有显著的不同。这是因为含铁颗粒填料体积分数超过15%时,磁敏橡胶的颗粒成链结构不具有立体对称性。因此,在进行动态弯曲试验时,弯曲轴线与颗粒链方向相同,颗粒链平行方向上的E远远高于垂直方向上的测量值。同时,在这两个测量方向上,颗粒成链磁敏橡胶的G和c11也应该不相同。4磁敏橡胶弹性模量的确定(1)讨论了磁敏橡胶超声测试的基本方法和参数,