实用性磁流变弹性体性能研究

丰卫邦，黄进明，张杰

（中国远洋卫星海上测控部，江苏江阴215431）

1 引言

磁流变弹性体是新兴的磁流变材料，是将微米级的磁性颗粒散布于固态状或者凝胶状的高分子聚合物基体中固化后形成的[1]。与磁流变液相比，磁流变弹性体不仅解决了磁性颗粒的沉降性和团聚稳定性问题，而且具有可控可逆、响应迅速、稳定性好、结构设计简单、制备成本低等独特优点，因而显示出广阔的应用前景[2～4]。利用磁流变弹性体在外加磁场下的磁致效应，有些研究者已设计出基于磁流变弹性体的器件。如Ford汽车公司设计出了能在轴向和径向实现不同的刚度控制的轴衬[5]；中国科技大学设计出剪切型磁流变弹性体主动移频调谐式动力吸振器[6]。

但至今基于磁流变弹性体的应用还很有限，尚未达到工业化和商业化的要求。目前国际上研制的磁流变弹性体存在磁致效应和机械性能上的矛盾，导致研制的材料不能满足工程应用的要求；磁流变弹性体容易老化，使用寿命短。此外，对于磁流变弹性体的相关应用研究处于起步阶段，很多仅仅是概念化设计或者构想，将其用于隔振器的相关报道更少。本文主要研究实用性磁流变弹性体，并对其力学性能、磁致力学性能、撕裂性能、老化性能、疲劳性能等进行了研究。

2 实验

2.1 原材料

羰基铁粉，型号为MPS－MRF－25，实测平均粒径 2.91 μm，江苏天一超细金属粉末有限公司生产； 聚醚的多元醇（PTMEG），工业品，上海山吉化工有限公司；萘－1，5－二异氰酸酯（简称 NDI），工业品，杭州崇舜化学公司；4-丁二醇（BDO），分子量 90.12，分析纯，上海化学试剂一厂；三羟甲基丙烷（TMP），134.17，分析纯，上海化学试剂一厂；苯乙烯，分析纯，上海化学试剂一厂；2-4（氯磺酰苯基）-乙烷基三氯化硅烷（CTCS），分析纯，上海化学试剂一厂；氨丙基三甲氧基硅烷（SCA－1103），分析纯，湖北德邦化工新材料有限公司。

2.2 磁流变弹性体的制备

根据磁流变弹性体的成型特点和合成方法，本文设计了一种新型物理化学混合预成型，即将表面接枝-OH功能化的羰基铁粉与异氰酸酯进行化学接枝反应，然后再和多元聚酯进行扩链反应形成预聚体，最后将预聚体与表面包覆过的羰基铁粉、固化剂混合固化而成，具体如下：首先采用 SCA-1103对铁粉进行表面改性，然后与一定量的聚氨酯预聚体混合。混合均匀后抽尽气泡，将混合物加入已经预热的并置于励磁装置上的模具中。在磁场固化30 min后关闭磁场，继续在室温固化2 h，然后再放入真空烘箱内110℃固化12 h，最终制得各向异性聚氨酯基磁流变弹性体。

2.3 性能测试

采用了深圳新三思公司 CMT4304型电子万能试验机测试磁流变弹性体拉伸强度、撕裂强度；台湾高铁公司的 GT-7107-(M/L)老化试验机测试其老化性能，香港弘埔技术有限公司CR-1300型的蠕变试验机测试其蠕变性能。

磁流变弹性体磁致力学性能测试主要由传统的 MTS测试装置和励磁装置构成。剪切状态的测试装置如图1和图2所示，压缩状态的测试装置如图3和图4所示。

图1 剪切状态测试系统

图2 剪切装置励磁装置示意图

3 结果与讨论

3.1 磁流变弹性体的常规力学性能

3.1.1 拉伸性能试验

本文根据GB/T528-1998[11]，采用深圳新三思公司 CMT4304型电子万能试验机对研制的磁流变弹性体进行了系统的拉伸性能测试，分别比较了不同铁粉填充质量分数对磁流变弹性体拉伸性能的变化。试样及装置如图5和图6所示。

图3 压缩状态测试系统

图4 压缩状态励磁装置示意图

图5 测试试样

图6 拉伸性能测试装置

拉伸性能测试结果分别如表1。

从表1中可以看出，随着铁粉填充质量分数的增大，磁流变弹性体的拉伸强度、扯断伸长率均在减小，但是均满足隔振器用材料的基本要求。

表1 拉伸性能测试结果

3.1.2 撕裂性能试验

参照 GB/T529-1999[12]，撕裂性能采用与拉伸性能测试相同的测试装置，测试试样如图1中所示，测试结果见表2。

从表2中可以看出，随着铁粉含量的增加，磁流变弹性体的撕裂强度不断降低。满足设计性能指标的要求。

3.1.3 动态疲劳性能试验

本文按照GB1688-86[13]硫化橡胶伸张疲劳的测定标准，对研制的代号为MR1、MR2和MR3的磁流变弹性体以及本体材料进行了伸张疲劳的性能测试。测试中选择频率为250 r/min，应变值取伸长50%，试验的应变次数为5万次。

试验结果表明，每种试样在动态疲劳后，未发生断裂，表面也无龟裂，无其他明显变化，说明该磁流变弹性体有着良好的动态疲劳性能。

3.1.4 蠕变性能试验

根据 GB/T19242-2003[14]，采用香港弘埔技术有限公司CR-1300型的蠕变试验机，参照硫化橡胶的蠕变测试方法对磁流变弹性体进行了压缩蠕变性能测试。试验中选择磁流变弹性体的本体材料、MR1、MR2和MR3试样，以试样变形20%时的力作为恒定作用力，以该点为时间的起点，设定工作温度为50℃。测试试样分别如图7所示，图8是试样测试过程中的蠕变曲线。

表2 撕裂性能测试结果

图7 蠕变性能测试试样

采用标准中 10 min时磁流变弹性体的蠕变为基准，分别计算压缩24 h后的蠕变指数，蠕变测试结果如表3所示。

图8 MR3蠕变测试曲线

表3 磁流变弹性体的蠕变测试结果

从表3中可以看出，随着铁粉含量的增大，磁流变弹性体的蠕变指数增大。随着铁粉填充质量分数的继续增大，磁流变弹性体的蠕变又略有减小，其中填充70%时的蠕变指数小于基体材料的蠕变指数。

3.1.5 老化性能

参照GB/T3512-2001[15]进行了磁流变弹性体的热空气加速老化试验，试验条件为100℃×96h。试验设备采用台湾高铁公司的 GT-7107-(M/L)老化试验机进行，试验结果如表4所示。

表4 热空气老化性能测试结果

从表4中可以看出随着铁粉含量的增加，拉伸强度变化率有所增大，而且随着铁粉质量分数的增大，伸长率变化率有所减小。但是从整体上来看，磁流变弹性体在老化后，伸长率有所提高。这是因为高温老化时，该材料进一步固化，使其性能显著增加。因此，在制备该类聚氨酯弹性体时，必须优化工艺条件，使其达到完全固化，以保证材料性能的稳定性。

3.2 磁流变弹性体的性能比较

结合目前国内外的研究现状，本文对目前研究的磁流变弹性体的常规力学性能、磁致力学性能与本文研制的磁流变弹性体进行了比较。其中羰基铁粉的体积含量约在20%－30%之间（在进行体积分数换算时，天然橡胶密度取1.6 g/cm3，聚氨酯取1.2 g/cm3，硅橡胶密度取0.87 g/cm3）。

磁流变弹性体的性能对比如表5所示。其中表中空白表示查阅文献中没有标明，或者没有进行研究。

表5 磁流变弹性体的力学性能比较

从表5可以看出，本文研制的聚氨酯基磁流变弹性体的拉伸性能和撕裂性能方面远远优于目前中科大等研制的硅橡胶、天然橡胶基的磁流变弹性体，初步解决了力学性能与实用性之间的矛盾，达到了工程实际应用的基本要求；在相对磁流变效应方面，也基本达到了目前国内外同行的研究水平。从表5中也可以看出，目前国内外关注的主要在于磁流变效应，而对于其力学性能的改善、工程应用方面很少进行系统的研究。

4 结论

本文以探索研制实用型磁流变弹性体为目的，研究了制备条件和应用环境对磁流变弹性体性能的影响，得出如下结论：

1）在制备磁流变弹性体的过程中，将预聚体和磁性颗粒混合后，容易产生气泡。可以采用两种办法进行解决：首先，对预聚物和磁性颗粒的混合物要充分的抽真空。其次，必须设计合理的加压模具。

2）磁流变弹性体的预结构化在适当的温度下进行。在磁流变弹性体浇入模具中时，必须控制基体的固化时间与固化温度，确保磁性颗粒有充分的时间在磁场下进行预结构化排列。

3）本文研制的磁流变弹性体的常规力学性能基本满足工程应用的设计要求，但其疲劳特性、蠕变特性还有待进一步的改进与提高[3]。

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[1]朱石坚, 何琳. 船舶机械振动控制[M]. 北京：国防工业出版社, 2006：4-6.

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[3]Jereniah S. Shock and Vibration Mounting System using Electroactive Polymers with an Interpenetrating polymer Network[EB/OL]. http：//www.navysbir.com/05-3/38.htm, 2005-03-15.

[4]Robert G. Shock and Vibration Mounting System for Machinery and Electronics[EB/OL]. http：//www.aphysci.com, 2005-06-07.

[5]Faramarz G. Tunable Shock and Vibration Isolation System[R]. Reno: US Navy Proposal Submission,2006.

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[11]参考文献: GB/T 528—1998, 硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定[S]. 北京: 国家质量技术监督局, 1998.

[12]GB/T 529—1999, 硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定[S]. 北京: 国家质量技术监督局, 1999.

[13]GB 1688—86, 硫化橡胶伸张疲劳的测定[S]. 北京:国家标准局, 1986.

[14]GB/T 19242—2003, 硫化橡胶在压缩或剪切状态下蠕变的测定[S]. 北京: 国家质量技术监督局, 2003.

[15]GB/T 3512—2001, 硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验[S]. 北京: 国家质量监督检验检疫总局, 2001.