外加磁场强度对磁流变弹性体特性影响的实验分析

葛现伟，曾建斌，杨 威，刘晋彤

（厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024）

磁流变弹性体（magneto-rheological elastomers，MREs）是一种新型的磁敏材料，因其特性可以随着外部磁场强度的改变而改变，且响应速度快、可控可逆［1］，被广泛应用于各种领域，对其特性的研究也逐渐成为当今社会的热点。MREs一般由质地较软的基底和磁性颗粒组成。在过去十几年里，研究者在制备MREs材料的过程中，通过改变磁性颗粒和基体的材料、改变磁性颗粒的尺寸和体积百分比来制备不同的MREs材料［2-8］。制备过程中，根据有无外加磁场，MREs可以分为各向同性和各向异性两大类［9］。各向同性MREs 内部的磁性颗粒均匀地分布在软基底中；各向异性MREs 内部磁性颗粒呈现聚链结构，且可根据外加磁场强度、磁性颗粒的种类、大小和含量等发生改变。

影响MREs材料性能的主要因素包括基体材料、分散剂（铁磁性颗粒）的体积比、分散剂的特性（颗粒大小、组成、形态等），以及外加磁场的强度［10］。其中，外加磁场强度对各向异性MREs特性的影响更加显著［11-13］。Boczkowska 等［14］研究了磁性颗粒含量与MREs空间聚链结构的关系，实验结果表明，磁性颗粒含量越大的MREs 内部形成的聚链结构更加复杂。Bica 等［15］研究了磁场强度与MREs 储能模量之间的关系，结果表明，磁场强度会增大材料的存储模量，磁性颗粒含量太高会导致MREs基底的断裂及连续性差。Coquelle 等［16］研究了磁性颗粒对MREs 空间聚链结构影响，将MREs 放置于有磁场的环境下进行拉伸实验，研究了磁性颗粒聚链结构对MREs准静态特性的影响，结果表明，内部的聚链结构增加了MREs 的弹性模量。目前，MREs 的研究成果多为影响因素与MREs 特性相关性高低［17-19］，而对影响因素与每个特性变化趋势和特性变化量之间的关系鲜有报道。为此，本文制备3个不同质量分数磁性颗粒各向异性的样品，测量不同外加磁场强度下样品的剪切模量和韧性，分析外加磁场强度对MREs 特性变化趋势和变化量的影响，以期得到外加磁场强度与MREs 剪切模量、韧性变化趋势和变化量之间的关系。

1 实验设计

1.1 实验材料

本实验中选用的材料有：硅橡胶，选用卡夫特K-705型号；填充磁性颗粒为羰基铁粉，购置于广州复梵科技有限公司，型号为中冶鑫盾合金的高纯GR超细铁粉，其平均粒径为8 μm；二甲基硅油作为磁性颗粒与硅橡胶接触的润滑剂和固化剂，选用道康宁公司生产的粘度为500CS的PMX-200进口二甲基硅油。

1.2 样品制备

分别按3 种不同配比①磁流变弹性体是一种复合磁敏材料，样品的剪切模量和韧性与其配比和外加磁场强度有关，合适的配比和外加磁场强度可以使样品的特性达到最优。本文通过改变磁流变弹性体配比进行大量的实验，并通过外加磁场测量其特性，根据其特性的优劣，最终选取样品的羰基铁粉质量分数分别为10%、20%和30%。，称取一定质量的硅橡胶、硅油和羰基铁粉加入烧杯中。各组成成分及其质量分数见表1。随后对混合物进行充分搅拌至各成分混合均匀，然后将搅拌均匀的材料倒入模具并放进真空锅中进行处理，排除混合物中的空气。5min后取出装着混合物的模具，并将其置于外加磁场中，使混合物中的羰基铁粉形成聚链结构。

表1 样品组成质量分数Table 1 Composition and content of the samples 单位：%

1.3 测量实验

MRE 的剪切模量和韧性是根据材料的应力—应变曲线来计算的。材料的应力应变曲线测量所用的实验装置示意图和实物图如图1（a）和图1（b）所示。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental devices

样品的应力由装置中拉压力传感器（JLB-M2）测量得到，位移量由位移传感器（LVDT、0～10 mm、0.1%）测量得到。拉压力传感器和位移传感器的输出信号通过示波器采集得到。

装置磁场激励部分主要由2对可移动铁心和励磁线圈组成，调节可移动铁心之间的距离和励磁线圈中的电流可以激励出实验所需要的磁场。

测试时，对于3种MREs样品（羰基铁粉质量分数为10%、20%和30%）分别施加3种不同磁场强度（100 mT、150 mT和200 mT）的外加磁场，并通过实验装置测量样品的剪切模量和韧性。为了减轻形变历史和应力软化对测量特性的影响，MREs样品进行了预处理，每组实验重复5次，取平均值进行分析。同时，为了排除历史形变对MREs的影响，MREs样品在每次测量之间提供15 min的恢复期。

2 实验结果与分析

MREs 特性变化与磁性颗粒之间的相互作用有关。当外加磁场强度变化50 mT 时，样品剪切模量的差值和韧性的差值，即为特性的变化量。MREs的应力—应变曲线是材料特性的最基本的体现，能够实时展现出MREs的剪切模量和韧性。图2为3种样品在100 mT、150 mT和200 mT外部磁场强度下的应力—应变曲线。由图2 可知，MREs 随着外加磁场强度的改变而影响其特性，具体表现为图像斜率和面积的改变。图2 中，3 种MREs 样品的斜率都会随着外加磁场强度的增大而增大，面积却会随着外加磁场的增大而呈现出减小的趋势。

图2 不同羰基铁粉下MREs应力-应变曲线图Fig.2 MREs stress-strain under different carbonyl iron powders

剪切模量表征MREs抵抗切应变的能力强弱，体现其刚性的大小，在实际测量中用磁滞回线的斜率进行量化，剪切模量越大，刚性越大。韧性大小表示MREs在塑性变形过程中吸收能量的能力，体现其发生脆性断裂可能性大小，在实际测量中用应力—应变曲线的面积进行量化，韧性越大，发生断裂的可能性就越小。3种MREs样品剪切模量曲线和韧性曲线如图3所示。

图3 MREs特性曲线图Fig.3 MREs characteristic curve

由图3（a）可知，随着外加磁场强度的增强，3 种样品的剪切模量增大，呈正相关。羰基铁粉质量为10%的样品，在外加磁场强度由100 mT 增加到150 mT 时，剪切模量增加15%，磁场强度由150 mT 增加到200 mT 时，剪切模量增加15%；羰基铁粉质量为20%的样品在外加磁场强度由100 mT增加到150 mT 时，剪切模量增加15%，磁场强度由150 mT 增加到200 mT 时，剪切模量增加21%；羰基铁粉质量为30%的样品在外加磁场强度由100 mT 增加到150 mT 时，剪切模量增加27%，磁场强度由150 mT 增加到200 mT 时，剪切模量增加27%。

由图3（b）可知，随着外加磁场强度的增大，3种磁流变弹性体的韧性减小，呈负相关；羰基铁粉质量为10%的样品在外加磁场强度由100 mT增加到150 mT时，韧性减小13%，磁场强度由150 mT增加到200 mT时，韧性减少62%；羰基铁粉质量为20%的样品在外加磁场强度由100 mT增加到150 mT时，韧性减小3%，磁场强度由150 mT 增加到200 mT 时，韧性减少8%；羰基铁粉质量为30%的样品在外加磁场强度由100 mT 增加到150 mT 时，韧性减小6%，磁场强度由150 mT 增加到200 mT 时，韧性减少16%。

通过对比图3（a）、（b）可知，外加磁场强度由100 mT 增加到200 mT 时，样品剪切模量的2 次变化量基本保持不变，但是韧性2次变化量差异较大，最大可达49%。

3 结论

本文按照磁流变弹性体组成成分和含量的不同制备3种样品，通过实验测量样品分别在外加磁场强度100、150、200 mT下的剪切模量和韧性。实验结果表明，随着外加磁场强度的增强，MREs剪切模量会增大，韧性却会减小，宏观表现为MREs更有刚性，更容易被拉断，这与羰基铁粉质量分数无关；对于不同羰基铁粉质量分数的MREs，外加磁场强度的变化量对剪切模量的变化量影响较小，对韧性的变化量影响较大，当外加磁场强度变化50 mT时，韧性变化量差值最大可以达到49%。本文可为MREs 在工程上的应用提供一定的指导，但本文尚未分析外加磁场作用下MREs 内部聚链结构与宏观特性之间的关系，后续研究可以对MREs的微观机理进行深入分析。