磁流變彈性體的研制及其力學(xué)行為的表征.pdf

1、磁流變彈性體是一類(lèi)智能材料。它是由高分子聚合物和軟磁性顆粒組成，在外加磁場(chǎng)的作用下，其模量和阻尼等性能會(huì)發(fā)生變化。目前已有不少研究者利用磁流變彈性體的變剛度特性，設(shè)計(jì)了調(diào)頻式動(dòng)力吸振器和汽車(chē)懸掛軸襯等器件。因此，磁流變彈性體在振動(dòng)控制等工程領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。 磁流變彈性體要實(shí)現(xiàn)工程化，一方面需要具備顯著的磁流變效應(yīng)(一般指模量在磁場(chǎng)下的可摔范圍)，另一方面需要具備優(yōu)異的綜合性能。而目前磁流變彈性體的磁流變效應(yīng)仍不夠大，同時(shí)

2、多數(shù)研究者僅考慮了其模量，忽略了同樣重要的阻尼特性和機(jī)械性能。在磁流變彈性體機(jī)理研究方面，現(xiàn)有模型往往存在過(guò)多的假設(shè)，影響了結(jié)果的可靠性。 為解決上述存在問(wèn)題，本文建立了一套適合于高彈高韌類(lèi)材料為基體的磁流變彈性體的研制系統(tǒng)，并對(duì)磁流變彈性體進(jìn)行了初步制備；研究了多種制備和測(cè)試參數(shù)下磁流變彈性體的磁流變效應(yīng)等力磁耦合性能與機(jī)械性能，同時(shí)分別通過(guò)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了磁流變彈性體的阻尼特性；基于觀測(cè)到的微觀結(jié)構(gòu)建立了兩種磁

3、流變彈性體的磁致模型；最后根據(jù)上述研究成果對(duì)材料進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了綜合性能良好的磁流變彈性體。 本文首先概述了磁流變材料的歷史、分類(lèi)和應(yīng)用，著重介紹了磁流變彈性體的最新研究進(jìn)展以及存在的科學(xué)和應(yīng)用問(wèn)題。 建立了一套適用于以天然橡膠為代表的高彈高韌類(lèi)材料為基體的磁流變彈性體的研制系統(tǒng)。在制備基體/顆粒的粘塑態(tài)磁性混合物時(shí)，分別通過(guò)了溶劑法和混煉法兩種途徑。從性能、工藝、效率和可行性等方面，比較了兩種方案的優(yōu)劣，并

4、最終采用了混煉法。組建了熱磁耦合預(yù)結(jié)構(gòu)化和固化系統(tǒng)，探索出了基于高彈高韌基體材料的磁流變彈性體的研制方案，并進(jìn)行了初步制備。 實(shí)驗(yàn)研究了包括預(yù)結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度、增塑劑和鐵粉含量的制備參數(shù)和包括動(dòng)態(tài)應(yīng)變和激勵(lì)頻率的測(cè)試參數(shù)對(duì)磁流變彈性體動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。此外，搭建了準(zhǔn)靜態(tài)力磁耦合剪切裝置，實(shí)驗(yàn)研究了不同鐵粉含量的磁流變彈性體在有無(wú)外場(chǎng)下的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；評(píng)估了磁流變彈性體的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、硬度、回彈性、抗熱氧老化和耐

5、磨耗性能等基本機(jī)械性能。 通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)了不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下制備的磁流變彈性體中磁性顆粒形成的微觀結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)在預(yù)結(jié)構(gòu)過(guò)程中施加磁場(chǎng)后，顆粒逐漸團(tuán)聚成柱狀結(jié)構(gòu)。隨著施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，顆粒柱狀結(jié)構(gòu)的寬度和長(zhǎng)度也隨之增大。 基于觀測(cè)到的微觀結(jié)構(gòu)，舍棄了襲用于磁流變液的顆粒貫穿模型，建立了適用于磁流變彈性體的力學(xué)模型。首先建立了有限柱長(zhǎng)模型。在有限柱長(zhǎng)模型中，假設(shè)磁流變彈性體內(nèi)包含若干段寬度相同長(zhǎng)度隨機(jī)分布的柱狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)

6、等效磁導(dǎo)率的方法推導(dǎo)出了磁流變彈性體的磁致應(yīng)力和磁致模量的表達(dá)式。接著對(duì)磁流變彈性體結(jié)構(gòu)與性能這一問(wèn)題作了進(jìn)一步深入的研究。發(fā)現(xiàn)對(duì)于任何一塊磁流變彈性體，其中包含的柱狀顆粒結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度呈高斯分布。據(jù)此建立了一種普遍性更高的磁流變彈性體高斯分布模型。通過(guò)該模型研究了顆粒柱結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、寬度、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度以及應(yīng)變對(duì)磁流變彈性體磁致性能的影響。與傳統(tǒng)的Jolly和Davis模型相比，高斯分布模型具有更好的精度和更廣的使用范圍。 分別通過(guò)動(dòng)態(tài)

7、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了磁流變彈性體的阻尼特性。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，除剛度可控外，磁流變彈性體也是一種阻尼可控的材料。據(jù)此提出了與外加磁場(chǎng)相關(guān)的新界面滑移假設(shè)。通過(guò)對(duì)磁流變彈性體取三維代表體積單元，使用有限元軟件計(jì)算其在受到周期動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)變時(shí)的響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果顯示，應(yīng)力應(yīng)變的曲線最終收斂于一個(gè)遲滯回線。由此計(jì)算出了磁流變彈性體的不加磁場(chǎng)時(shí)的阻尼比，且比較接近于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 最后基于以上的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合應(yīng)用需求，對(duì)磁流變彈性