硅橡胶基磁流变弹性体的制备及其力学性能测试

魏克湘,黄河清,朱石沙

(1湖南工程学院机械工程学院,湘潭 411101;2湘潭大学机械工程学院,湘潭 411105)

硅橡胶基磁流变弹性体的制备及其力学性能测试

魏克湘1,2,黄河清2,朱石沙2

(1湖南工程学院机械工程学院,湘潭 411101;2湘潭大学机械工程学院,湘潭 411105)

采用硅橡胶和羰基铁粉制备了有场和无场作用下的磁流变弹性体材料,并对其微观组织和力学性能进行了研究.结果表明,无论是有场制备还是无场制备的磁流变弹性体,在施加外磁场后,其承载能力和刚度都有所提高,但有场制备弹性体的可调范围要大于无场制备的弹性体,其综合性能要优于无场制备的弹性体.

磁流变弹性体;力学特性;材料制备

0 引言

磁流变弹性体(magnetorheological elastomers)是磁流变材料的一个新的分支,是磁流变液的固体模拟,通常是通过物理化学手段,将磁性颗粒散布在粘塑性态的高分子聚合物基体中固化而成.由于其颗粒被固定在基体中,不存在颗粒沉降问题[1].同时,在外加磁场作用下,弹性体内部的颗粒被磁化后,会产生相互作用力,使材料的弹性、剪切储能模量与损耗因子等发生变化,宏观表现即为阻尼和刚度可控.磁流变弹性体在克服了磁流变液的易沉降、稳定性差等缺点的同时,保留了磁流变材料刚度、阻尼可控的特性,兼有磁流变液和弹性体的优点[2],因而在振动控制的某些领域有望具有比磁流变液更为广泛的应用前景[3-8].

本文采用硅橡胶和羰基铁粉制备了不同场强作用下的磁流变弹性体材料,并对其微观组织和力学性能进行了实验测试.通过对所制备的磁流变弹性体的力学特性进行对比分析,以优化磁流变弹性体的配方和制备方法,为后继磁流变弹性体减振和隔振装置的研制提供综合性能良好的磁流变弹性体材料.

1 磁流变弹性体材料的制备

作为一种新兴的智能材料,目前磁流变弹性体还没有统一的制备方法.从制备时是否加磁场方面考虑,磁流变弹性体的基本制备方法主要分为有场制备和无场制备两种[8]:有场制备主要是在基体固化过程中施加一个外部磁场,由于此时基体尚未固化而呈液态或粘塑性体状态,铁磁性颗粒还可以移动,所以能利用磁流变效应(即铁磁性颗粒在磁场方向形成链或柱状聚集结构),使颗粒在高分子聚合物基体中形成有序结构,混合物固化后,这种有序结构就保留在基体中.因此有场制备的磁流变弹性体是一种各向异性的弹性体材料;而无场制备的磁流变弹性体的特点在于基体固化过程中,不施加外磁场,这时颗粒在基体中的朝向将呈随机分布,故无场制备的磁流变弹性体是一种各向同性的弹性体材料.

磁流变弹性体的主要成分包括高分子聚合物基体材料和铁磁性颗粒.常用的基体材料有硅橡胶和天然橡胶等两大类.用前者制备的弹性体较软,具有相对较高的磁流变效应,而用后者制备的弹性体较硬,机械综合性能较好.磁性颗粒的选择与磁流变液相似,要求颗粒具有高磁导率、低剩磁和高饱和磁化强度.常用的磁性颗粒是球状、直径几微米的羰基铁粉.

文中的磁流变弹性体配方选用硅橡胶、羰基铁粉和硅油组成.基体材料选用江苏溧阳飞达硅橡胶粘合剂厂的704硅橡胶,该硅橡胶能在常温下快速固化;磁性颗粒采用德国BASF公司的直径为3～8μm左右的球形羰基铁粉,铁粉纯度为99.5%.添加一定比例的硅油主要是稀释硅橡胶,提高磁流变弹性体在搅拌过程中的流动性.

具体制备过程如下:首先量取一定体积分数的硅橡胶和硅油,将两者搅拌均匀后,再加入一定比例的羰基铁粉,不断搅拌直至得到分布均匀的胶状磁流变弹性体;然后把胶状磁流变弹性体倒入图1中内径为Φ42的聚四氟乙烯套筒模具内;通过图1中的加压轴施加给胶状磁流变弹性体一个垂向压力,使磁流变弹性体在挤压力作用下固化.线圈铁芯、上导磁块、下导磁块、加压轴与套筒模具内的磁流变弹性体组成一个电磁回路,控制通过线圈绕组的电流大小,就可以得到不同磁场作用下所制备的磁流变弹性体.

图1 磁流变弹性体制备模具

已有的文献证明磁性颗粒体积分数在27%时磁流变弹性体将有最佳的磁控性能[9],故本文选用硅橡胶、硅油和羰基铁粉的体积比为68%、5%和27%.所制备的磁流变弹性体如图2所示.

图2 磁流变弹性体的制备

图3为电镜下观察到的有场制备和无场制备磁流变弹性体的微观结构,其中图3(a)图为无场制备(控制电流I=0 A)的弹性体微观组织结构照片,(图3b)图为有场制备(控制电流I=1 A)的弹性体微观组织结构照片.由图中可以看出,有场制备的磁流变弹性体沿着磁场方向,颗粒形成明显的链状或柱状结构,而无场制备的磁流变弹性体由于没有磁场的预结构化作用,铁磁颗粒随机分布在基体内.

图3 磁流变弹性体的微观结构

2 磁流变弹性体的力学性能测试

对所制备的磁流变弹性体进行挤压受力测试,目的在于证实磁致效应的存在以及初步确定试样所能承受的最大压载荷.试样直径Φ 42 mm,压缩规定应变为0.20%,压缩偏置屈服应变为0.50%.在微机控制电子万能材料试验机(型号CMT5305)上进行压缩试验,得到受力(载荷)-位移(形变)关系曲 线如图4所示.

图4 磁流变弹性体的受力-位移关系曲线

由图4可知,无论是有场制备还是无场制备的磁流变弹性体,在相同的压力载荷作用下,磁流变弹性体在有磁场作用时的位移变化量比无磁场作用时的位移变化量小,表明加上磁场后磁流变弹性体的刚度变大了,从而证实了磁流变弹性体磁致效应的存在,故可以通过改变外加磁场大小来控制其刚度的变化.同时,对比图 4(a)和图4(b)还可以看出,在没加磁场时,有场制备和无场制备的弹性体的受力-形变关系相差不大.但在磁场作用下,有场制备弹性体的刚度要比无场制备弹性体的刚度大,表明有场制备弹性体的刚度可调范围要大于无场制备的弹性体,其性能要优于无场制备的弹性体.

图5 磁流变弹性体的最大承载力破坏试验曲线

图5为有场制备磁流变弹性体的最大承载力破坏试验曲线.如图所示,磁流变弹性体在载荷为0.8 kN时发生破坏,故该磁流变弹性体的断裂强度(即最大压载荷)为

表明该磁流变弹性体具有较好的力学性能(普通橡胶的屈服强度为1～7 MPa).

3 结束语

本文采用硅橡胶、羰基铁粉和硅油制备了有场和无场作用下的磁流变弹性体材料,并对其微观组织和力学性能进行了研究.结果表明,无论是有场制备还是无场制备的磁流变弹性体,在施加外磁场后,其承载能力和刚度都有所提高,但有场制备弹性体的可调范围要大于无场制备的弹性体,其综合性能要优于无场制备的弹性体.

[1]李剑锋,龚兴龙,张先舟,等.硅橡胶基磁流变弹性体的研制[J].功能材料,2006,37(6):1003-1005.

[2]魏克湘,孟光,游 红,等.磁流变弹性体夹层梁的振动响应特性实验研究[J].振动与冲击,2009,28(10):81-83.

[3]汪建晓,孟 光.磁流变弹性体研究进展[J].功能材料,2006,37(5):706-709.

[4]Wei K X,Meng G.Study on a New Semi-active Vibration Isolation System.Proceedings of SPIE,2009,7493:749357.

[5]Deng H X,Gong X L,Wang L H.Development of an Adaptive Tuned Vibration Absorber with M agnetorheological Elastomer[J].Smart Materials and.Structures.2006,15:111-116.

[6]Lerner A A,Cunefare K A.Performance of MRE-based vibration absorbers[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2008,19(5):551-563.

[7]Deng H X,Gong X L.Application of Magnetorheological Elastomers to Vibration Absorber[J].Communications in Nonlinear Science and Numerical Simula-tion,2008,13(9):1938-1947.

[8]张先舟.磁流变弹性体的研制及其机理研究[D].合肥:中国科学技术大学博士论文,2005.

[9]Davis L C.Model of Magnetorheological Elastomers[J].Journal of Applied Physics,1999,85(6):3348-3351.

Preparation and Mechanics Properties of MR Elastomers Based on Silicone Rubber

WEI Ke-xiang1,2,HUANG He-qing2,ZHU Shi-sha2
(1.College of Mechanical Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China;2.School of Mechanical Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

MR elastomers consisting of silicone rubber and carbonyl iron particles are prepared with or without magnet fields.Their micro-structure and mechanics properties are investigated.The results show that the carrying capacity and the stiffness of both MR elastomers increase when subjected to a magnet field.But the controllable range and combination property of the MR elastomers prepared with magnet fields are better than that of the MR elastomers prepared without magnet fields.

Magnetorheological(MR)elastomers;mechanics properties;material prepared

TB381

A

1671-119X(2010)01-0035-04

2009-10-27

国家自然科学基金资助项目(10802029);湖南工程学院博士科研启动基金资助项目(0853)

魏克湘(1973-)男,博士,副教授,研究方向:智能结构与振动控制.