不同轴向压力下磁流变弹性体的剪切性能研究*

李承洪，杨 帆，钱文博

(华侨大学 机电及自动化学院，福建 厦门 361000)

0 引 言

磁流变材料，包括磁流变液、磁流变弹性体和磁流变泡沫，是一种根据外加磁场强度的变化，可连续、快速、可逆地控制其力学性能和形状的一种智能材料，在振动控制领域具有很好的应用前景[1-2]。磁流变弹性体(MREs)作为磁流变材料的一个新分支，是由纳米级或微米级的磁性粒子分散在各种高分子聚合物中而形成的新型智能材料。磁流变弹性体在外加磁场作用下固化一段时间，在一定的取向磁场下，磁性粒子在橡胶类基体中会形成链状或柱状结构[3-5]，它克服了磁流变液中粒子沉淀、材料稳定性和密封问题的同时，还保留了阻尼、刚度可控的特性[6-7]。因而近年来成为了磁流变材料研究的一个热点，在汽车、桥梁、建筑和振动控制等应用中取得了较好的研究成果[8]。

磁流变弹性体的最主要特性就是其磁流变特性，其磁流变特性在很大程度上决定了MREs的应用范围及效果。几十年来，国内外众多研究者对磁流变弹性体的磁流变特性开展了大量研究。如基体的不同类型[9-13]和填充颗粒的空间分布、体积浓度、颗粒尺寸大小和形状[14-17]，磁场强度、颗粒的取向[18-20]、频率和应变幅值[21-22]等。上述研究大部分结果表明基体的粘弹性、外加磁场强度以及颗粒的微观结构[23]对MREs的磁流变特性具有很大影响。目前对MREs材料的磁流变特性研究主要是集中在恒压剪切模式下，而对于不同轴向压力情况下MREs的剪切性能研究较少。因此，测试不同轴向压力作用下磁流变弹性体的剪切性能是很有必要的。

本文以硅橡胶基磁流变弹性体为研究对象，通过施加不同的轴向压力，来分析磁流变弹性体的弹性模量、磁致效率等特性。测试结果表明，磁流变弹性体的储能模量和耗能模量随着轴向压力的增大而增大，最后趋于饱和状态；应力-应变磁滞回线的面积和长轴斜率均随轴向压力的增大不断增大。相反，其磁致效率在磁场中表现出随着轴向压力增大，其磁致效率越低，在高磁场强度下更加明显。对这一现象的发现和描述有助于将其应用于工程领域。

1 磁流变弹性体制备

1.1 实验原材料及仪器设备

本文研究采用由美国Smooth-on公司生产的Ecoflex 0010型硅橡胶作为磁流变弹性体的基体，而填充颗粒，则采用了由德国巴斯夫生产的SQ型号羰基铁粉，粒径范围为3.9～5 μm。因为巴斯夫羰基铁粉具有稳定的磁导率、较低的损耗和高磁饱和特性。制备磁流变弹性体所需要的设备有电动搅拌器、电子秤、真空桶和均匀磁场发生装置。

1.2 样品制备

各向异性磁流变弹性体的具体制备过程可以分为4步：

(1)材料的提取

按2∶1∶1的质量比依次取出羰基铁粉、硅橡胶和硅胶凝固剂共20 g，质量配比如表1所示；

表1 MREs样品原材料质量比Table 1 Component mass ration of MREs sample

(2)混合

把称量好的羰基铁粉、硅橡胶及硅胶凝固剂放入容器中，然后使用电动搅拌器搅拌6 min，使铁磁颗粒充分均匀的分散在硅橡胶基体中；

(3)排气泡

将搅拌均匀后的混合物注入准备好的模具里，然后放入真空桶中，抽真空5 min，尽可能除去混合物中的气泡，使其内部颗粒形成理想的链状结构；

(4)固化

将抽完真空后的混合物取出，盖上盖板后放在磁场强度为134 mT的均匀磁场发生装置中。在室温下经过24 h固化后，可制备出磁流变弹性体样品，其内部粒子的排列方向与固化磁场方向一致。

图1为MREs制备流程图和样品实物图，样品的半径为10 mm，厚度为1 mm。

图1 MREs制备流程及实物图Fig 1 Preparation and physical diagram of MREs

2 实验测试与结果分析

2.1 实验测试

本实验所用到的实验仪器是美国TA公司生产的型号为DHR-2的旋转流变仪，夹具选用直径为20 mm的平行板夹具。保持温度一直在25 ℃，振荡模式进行测试。为了避免样品和几何体之间产生滑动，对试样施加不同的轴向压力，具体测试参数如表2。施加的外部磁场方向垂直于MREs固化时磁场方向，磁场强度大小随时间变化曲线如图2所示。

表2 MREs测试参数Table 2 The test parameters of MREs

图2 磁场强度随时间变化曲线Fig 2 Curve of magnetic field strength over time

2.2 结果及分析

2.2.1 轴向压力下磁流变弹性体的剪切性能研究

图3为不同磁场强度和轴向压力下，磁流变弹性体的储能模量和耗能模量变化关系。由图3(a)可以发现，在不同轴向压力条件下，MREs的储能模量随着外加磁场的增大而增加。磁场强度在0.1～0.8 T范围内时，储能模量增加的幅度比较大，但当磁场强度大于0.9 T时，增加的幅度逐渐缓慢，磁流变弹性体即将进入饱和状态，即铁磁粒子出现了磁饱和现象。这是因为样品内部铁磁颗粒间的相互作用关系产生的，当施加外部磁场时，铁磁颗粒间会产生相互作用力，并且会随着外部磁场强度的增加而增大，因此表现出样品的储能模量逐渐增大。当内部铁磁颗粒达到饱和状态时，磁性颗粒间的相互作用力不再随着磁场强度的增加而增大，故磁流变弹性体会接近饱和状态。

图3(b)为不同磁场强度下，磁流变弹性体的储能模量与轴向压力的变化关系。从图中可以看出，随着轴向压力的增大，MREs样品的储能模量均逐渐增加。如当在外加磁场为0.4 T、轴向压力为2 N时，储能模量为0.076 MPa，而当轴向压力增加到10 N时，储能模量为0.095 MPa。这说明轴向压力大小对磁流变弹性体的性能有的较大影响。因为在比较大的轴向压力下，其基体内部相邻粒子间的相对距离减小，导致颗粒间的互作用力增大，故储能模量会逐渐增大。

图3 不同磁场强度和轴向压力下MREs的储能模量和耗能模量Fig 3 Storage modulus and loss modulus of MREs under different magnetic field strength and axial loading

图3(c)、(d)分别为样品的耗能模量与磁场强度、轴向压力的关系。图中结果表明，样品的耗能模量随外加磁场强度的增加而增大，最后趋于饱和状态，且轴向压力越大，其越快达到饱和状态。而在同一磁场强度下，耗能模量随轴向压力的增大也呈现增加趋势。

为了描述在不同轴向压力作用下磁流变弹性体样品的磁致效率随外加磁场的变化情况，我们采用下列公式来表示磁流变弹性体的磁致效率：

图4(a)试验结果表明，在不同的轴向压力下，样品的磁致效率具有相同的变化趋势，其随磁场强度的增大而增加，最后都趋于饱和状态。相反，在同一磁场强度条件下，样品的磁致效率随着轴向压力的增大反而降低，即施加轴向压力越大的磁流变弹性体，其磁致效率越低。其中在磁场强度为1T时，轴向压力为2 N的磁流变弹性体样品的磁致效率为4.76%，而轴向力为10 N的磁流变弹性体样品其磁致效率却为3.9%，差值为0.86%，如图4(b)所示。

图4 磁致效率与磁场强度和轴向压力的关系Fig 4 Relationship between magnetostatic efficiency and magnetic field strength and axial loading

2.2.2 轴向压力对MREs磁滞性能的影响

图5为在轴向压力为4 N时，磁流变弹性体样品在不同磁场情况下的应力-应变关系。从图5(a)磁滞回线图中可以看出，随着磁场强度的增大，磁滞回线围成的回滞环面积和斜率均在不断的增加，即磁流变弹性体的损耗能量和等效刚度在不断的增加，说明材料的阻尼和刚度随磁场的增大也在增大。所以可以通过比较磁滞回线面积变化量和斜率来研究材料的阻尼和刚度。

图5(b)给出的是轴向压力为4 N时，回滞环的面积与斜率随外加磁场变化的结果。可以看出，在低水平磁场强度时，回滞环面积增加的比较明显，样品损耗的能量较多；当达到高水平磁场强度时，回滞环面积增加的不明显，基本保持不变。同样，磁滞回线的斜率也具有同样的趋势。这是因为在低水平磁场范围内，随着外部磁场的增强，样品内部磁性粒子间的相互作用增强，材料的阻尼增大，损耗的能量也加大；当磁场达到0.8 T时，磁性粒子将达到饱和状态，粒子间的相互作用不变，材料的阻尼不在增大了，以及材料损耗的能量不变，即回滞环的面积基本保持不变。

图5 轴向压力为4 N的MREs在不同磁场下应力-应变特性关系Fig 5 Relationship of stress-strain characteristics of MREs with axial pressure of 4 N under different magnetic fields

图6是在磁场强度为0.5 T，不同大小轴向压力作用下，磁流变弹性体样品的应力-应变特性关系。从图6(a)中可以看出随着轴向压力的增大，回滞环的面积在不断的增加，且越来越陡，即磁流变弹性体的损耗能量和刚度在不断的增加，说明材料的阻尼和刚度随轴向压力的增大也在增大。

图6 磁场强度为0.5 T的MREs在不同轴向压力下应力-应变关系Fig 6 Relationship of stress-strain of MREs with a magnetic field strength of 0.5 T under different axial loading

图6(b)是样品在0.5 T时，磁滞回线的面积与斜率随轴向压力变化的结果。可以看出，随着轴向压力的增大，回滞环面积也在不断地增加。同样，磁滞回线的斜率也具有同样的趋势，但增加的幅度较小，说明轴向压力对MREs刚度的影响较小。

3 结 论

通过比较不同磁场强度和轴向压力作用下，对磁流变弹性体的剪切性能进行了测试和研究。测试结果表明：

(1)磁流变弹性体的储能模量和耗能模量均随磁场增大而增加，并且在0.1～0.8 T时增长趋势较大，当磁场强度达到0.9 T时增长缓慢，磁流变弹性体样品基本达到饱和状态；

(2)在同一磁场强度条件下，轴向压力的增大，可致使磁流变弹性体样品储能模量和耗能模量的增加，最后趋于饱和状态。相反，样品的磁致效率却随着所施加轴向压力的增大而呈现降低的趋势。表明对样品施加的轴向压力大小对磁流变弹性体的性能有着较大的影响；

(3)磁流变弹性体样品的应力-应变磁滞回线形成的面积随着磁场强度的增大也在不断的增加，即磁流变弹性体的损耗能量在不断的增加。其中，在低水平磁场强度时，回滞环面积增加的比较明显，损耗的能量较多；而在高水平磁场强度范围内，回滞环面积增加的不明显，基本保持不变。同样，应力-应变磁滞回线的斜率也具有相同的趋势，

(4)在相同磁场强度下，磁滞回线围成的面积随着轴向压力的增大而不断的增加，但磁滞回线斜率增大的幅度较小。