橡膠基金屬鐵粒子復(fù)合材料的制備及其作為磁流變彈性體在安全工程中應(yīng)用的研究.pdf

1、聚合物基金屬復(fù)合材料具有普通聚合物無法比擬的光、電、熱、磁等優(yōu)越特性，因而引起了人們的廣泛關(guān)注。本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜述了聚合物基金屬復(fù)合材料及其應(yīng)用的最新研究進(jìn)展，我們發(fā)現(xiàn)磁流變彈性體的出現(xiàn)正進(jìn)一步拓寬聚合物基金屬復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。磁流變彈性體是新型的機(jī)電耦合材料，它具有磁場(chǎng)可控的力學(xué)性能，在安全工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如可以用作硬度可調(diào)的減震、減噪器件等方面。然而目前關(guān)于磁流變彈性體的制備研究還比較少，而且還沒有這方面

2、可以實(shí)用的材料。針對(duì)這一現(xiàn)象，我們從材料設(shè)計(jì)的理念出發(fā)，采用不同的彈性基體制備了聚合物基金屬鐵粒子復(fù)合材料，詳細(xì)研究材料的制備方法、粒子和基體的界面關(guān)系、材料的微觀結(jié)構(gòu)等各種因素和材料的磁流變效應(yīng)的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料磁流變性能及其它性能的優(yōu)化，最后選擇其中的MVQ/Fe復(fù)合材料為例，討論其作為磁流變彈性體在安全工程中的可能應(yīng)用。 歸納起來，本文的研究?jī)?nèi)容主要有以下五個(gè)部分組成：1.首先采用直接混合法制備了室溫硫化硅橡膠基金屬鐵粒

3、子(RTV/Fe)復(fù)合材料，研究了磁性粒子尺寸及其表面化學(xué)修飾對(duì)體系磁流變效應(yīng)的影響。另外采用溶劑/γ-射線輻照固化法，成功實(shí)現(xiàn)了分子量比室溫硫化硅橡膠分子量更大的甲基乙烯基(MVQ)硅橡膠與金屬鐵粒子的復(fù)合，并詳細(xì)討論影響磁流變效應(yīng)和相關(guān)力學(xué)性能的各種因素，特別是基體的交聯(lián)程度和各種添加劑等。結(jié)果表明在RTV/Fe體系中，當(dāng)磁性鐵粒子無任何化學(xué)修飾時(shí)，使用3-5μm鐵粒子的體系其磁流變效應(yīng)好，具有平均60μm團(tuán)聚顆粒尺寸的鐵粒子在基體

4、中易于沉降，不利于磁流變效應(yīng)的提高；通過對(duì)鐵粒子進(jìn)行化學(xué)修飾可以提高材料的磁流變效應(yīng)，不同的修飾劑及其修飾方法對(duì)磁流變效應(yīng)的影響程度不同，用RTV704硬脂酸對(duì)金屬鐵粒子進(jìn)行預(yù)修飾的效果較好。在MVQ/Fe體系中，加入一定的增強(qiáng)劑和提高基體的交聯(lián)程度，會(huì)使力學(xué)性能增強(qiáng)，但磁流變效應(yīng)下降；加入增塑劑可以提高磁流變效應(yīng)，但力學(xué)性能下降；加入合適的硅烷偶聯(lián)劑可以使力學(xué)性能和磁流變效應(yīng)同時(shí)提高。針對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們還對(duì)磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)

5、行了探討。 2.分別在有磁場(chǎng)和無磁場(chǎng)條件下制備了納米Fe3O4、蒙脫土以及凹凸棒土摻雜的NBR/Fe復(fù)合材料，詳細(xì)研究了兩種條件下制備時(shí)，納米粒子的加入對(duì)復(fù)合材料的磁流變效應(yīng)、力學(xué)性能和熱性能的影響。研究結(jié)果表明：對(duì)于磁性Fe3O4納米粒子摻雜的(NBR/Fe)彈性復(fù)合材料，其動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能模量和靜態(tài)拉伸強(qiáng)度均隨納米Fe3O4含量的增加而增大；體系的磁流變效應(yīng)也隨納米Fe3O4的加入略有提高(低場(chǎng)下)；在外加磁場(chǎng)下制備的樣品的磁流變效

6、應(yīng)比無場(chǎng)下制備的要高。在MMT摻雜的(NBR/Fe)彈性復(fù)合材料體系中，制備時(shí)無或有外加磁場(chǎng)使MMT摻雜物分別處于插層或?qū)与x狀態(tài)，外加磁場(chǎng)使金屬鐵粒子趨于沿磁場(chǎng)方向成鏈排列，無外加磁場(chǎng)時(shí)，鐵粒子僅處于無序分布，這些微結(jié)構(gòu)差異影響MMT摻雜材料的性能。無論有或無磁場(chǎng)下制備，MMT摻雜均使體系力學(xué)性能提高，不過有場(chǎng)下制備的樣品中MMT的增強(qiáng)效果比相應(yīng)的無場(chǎng)下要大。在無場(chǎng)下制備的樣品中，當(dāng)3％MMT摻雜時(shí)，磁流變效應(yīng)有所增強(qiáng)；而在磁場(chǎng)下制備的

7、樣品中，MMT的加入使磁流變效應(yīng)略有降低。無論無場(chǎng)還是有場(chǎng)下制備，MMT摻雜均可提高(NBR/Fe)彈性復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，而且在磁場(chǎng)下制備樣品穩(wěn)定性更高。將AT摻雜于(NBR/Fe)體系，既可增強(qiáng)剪切儲(chǔ)能模量，也可提高磁流變效應(yīng)，但在有外加磁場(chǎng)下制備時(shí)，其磁流變效應(yīng)下降；測(cè)試位移對(duì)材料的性能有很大的影響，測(cè)試位移越小，儲(chǔ)能模量、絕對(duì)和相對(duì)磁流變效應(yīng)均越大，損耗因子越小。 3.從橡膠材料優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的角度選擇了不同的復(fù)合基體，分別采

8、用直接共混、化學(xué)溶劑法和母煉膠法制備了RTV-PU、MVQ-PS、NBR-PU等復(fù)合基體金屬鐵粒子復(fù)合材料，并首次對(duì)復(fù)合基體鐵粒子彈性復(fù)合材料中微結(jié)構(gòu)—磁流變效應(yīng)—力學(xué)性能關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的探討。研究結(jié)果表明：(RTV-PU)雜合物/Fe復(fù)合材料中，不同混料方式、硅油添加劑、羰基鐵粒子含量、PU與RTV乳液重量比等都影響體系的磁流變效應(yīng)。當(dāng)RTV和PU比例合適時(shí)，鐵粒子在復(fù)合基體中具有特殊的分布，其磁流變效應(yīng)比其中任何純單一基體與鐵粒子形

9、成的復(fù)合材料都要高。在研究(MVQ-PS)雜合物基鐵粒子復(fù)合材料時(shí)，鐵粒子總含量一定，體系的磁流變效應(yīng)隨著PS含量的不同而變化，當(dāng)PS的含量為20wt％時(shí)，體系的磁流變效應(yīng)最高，在200mT時(shí)，其絕對(duì)磁流變效應(yīng)是純MVQ體系的2倍，相關(guān)原因可以從微結(jié)構(gòu)，體積電阻率及零場(chǎng)模量的變化來解釋。另外(MVQ-PS)雜合物基鐵粒子彈性復(fù)合材料的力學(xué)性能也較.純MVQ相應(yīng)材料有顯著改善。 對(duì)于母煉膠法制備的(NBR-PU)雜合物基鐵粒子復(fù)合

10、材料，體系的磁流變效應(yīng)與(PU/Fe)質(zhì)量份數(shù)、微結(jié)構(gòu)類型或金屬鐵粒子的聚集狀態(tài)、增塑劑及固化時(shí)的外加磁場(chǎng)等密切相關(guān)。隨著(PU/Fe)含量的增加，體系的磁流變效應(yīng)增強(qiáng)；增塑劑的加入使儲(chǔ)能模量降低，相對(duì)磁流變效應(yīng)增強(qiáng)，將樣品溶脹可以起到類似的效果；外加磁場(chǎng)下固化可以提高體系的磁流變效應(yīng)；當(dāng)鐵粒子在基體中形成大的團(tuán)聚體時(shí)，相當(dāng)于增加粒子的尺寸，有利于提高體系的磁流變效應(yīng)。羰基鐵粒子對(duì)含PU熱降解有一定的促進(jìn)作用，所以復(fù)合基體的熱穩(wěn)定性較純

11、NBR基相應(yīng)材料要低。相同鐵粉含量時(shí)，(NBR-PU)/Fe比NBR/Fe具有更高的拉伸強(qiáng)度。 4.首次制備了POE油凝膠/鐵粒子復(fù)合材料，并對(duì)其磁流變效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。結(jié)果表明體系的磁流變效應(yīng)隨著鐵粉含量的增加而增大；磁場(chǎng)下制備的樣品的磁流變效應(yīng)大大高于相應(yīng)的無場(chǎng)下制備的樣品，隨著白油比例的增加而增大，當(dāng)鐵粒子的體積含量為14％，白油和POE的比例為7：1時(shí)，其磁流變效應(yīng)可以達(dá)到1900％。我們還對(duì)磁場(chǎng)下和非磁場(chǎng)下制備的P

12、OE凝膠/鐵粒子復(fù)合材料的磁流變效應(yīng)的可逆性進(jìn)行了對(duì)比研究，最后研究了體系的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能。 5.以甲基乙烯基硅橡膠基金屬鐵粒子復(fù)合材料為例，研究該類材料作為磁流變彈性體在安全工程中的可能應(yīng)用。首先依據(jù)各章研究結(jié)果，對(duì)材料的性能進(jìn)行優(yōu)化，磁流變測(cè)試表明采用過氧化物硫化法在強(qiáng)磁場(chǎng)下固化制備的MVQ/Fe復(fù)合材料具有較高的磁流變效應(yīng)，500mT時(shí)材料的絕對(duì)和相對(duì)磁流變效應(yīng)分別可達(dá)40MPa和2000％，這跟其形成的較好的鏈狀結(jié)構(gòu)有關(guān)