磁流變彈性體的制備及其壓敏導(dǎo)電性能研究*

肖林京，范亞敏，朱緒力，滕桂榮，肖　楠，王傳萍，公緒波，衛(wèi)　潔

(1. 山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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磁流變彈性體的制備及其壓敏導(dǎo)電性能研究*

肖林京1，范亞敏1，朱緒力1，滕桂榮2，肖楠1，王傳萍1，公緒波1，衛(wèi)潔1

(1. 山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

摘要：針對(duì)磁流變彈性體的導(dǎo)電特性，設(shè)計(jì)了一種磁流變彈性體導(dǎo)電性測(cè)試元件，確立了其基本的制備工藝。基于磁流變彈性體導(dǎo)電性元件的可靠性，在相同條件下制備不同配比單一粒徑磁流變彈性體樣品，進(jìn)一步設(shè)計(jì)整個(gè)導(dǎo)電性元件的壓敏特性測(cè)試裝置，并利用該裝置對(duì)磁流變彈性體樣品的電流與電阻率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，該元件可以實(shí)現(xiàn)磁流變彈性體壓敏導(dǎo)電特性的穩(wěn)定性測(cè)試，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析得到磁流變彈性體由于基體材料的粘彈性壓應(yīng)力隨時(shí)間衰減，較小的顆粒體積比對(duì)混合液的黏度影響較小，對(duì)磁流變彈性體樣品的電導(dǎo)影響更加敏感。

關(guān)鍵詞：磁流變彈性體；導(dǎo)電性元件；測(cè)試裝置；導(dǎo)電特性；粘彈性

0引言

磁流變彈性體是在磁流變液的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一類新型的磁流變智能材料，將磁流變液的分散介質(zhì)用可固化的高分子材料代替，即可制備出微米級(jí)鐵磁性顆粒分散于液態(tài)高分子聚合物中的復(fù)合材料。在外加磁場(chǎng)的作用下鐵磁性顆粒磁化形成有序結(jié)構(gòu)并固化在非導(dǎo)電彈性基體中，使其不僅具有良好的力學(xué)性能，還具有獨(dú)特的電學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于傳感器和智能機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于復(fù)合體系導(dǎo)電特性的研究方法主要為理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。由于磁流變彈性體中基體一般都是絕緣體，因而其電阻主要由填充顆粒決定。Li等基于磁流變彈性體的磁致電學(xué)性能制備了一個(gè)力傳感器[2]。Ruschau等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)電高分子材料的外界激勵(lì)發(fā)生變化，如應(yīng)力或溫度的變化，磁流變彈性體的電阻將會(huì)發(fā)生改變[3]。Bica等也對(duì)磁流變彈性體的電性能如電阻、電容、電流與磁場(chǎng)、硫化時(shí)間、外力等關(guān)系進(jìn)行了較多研究[4-6]。Kchit等對(duì)磁致電阻與溫度、壓力的關(guān)系和磁致電阻機(jī)理進(jìn)行了研究[7-8]。Bossis等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)磁流變彈性體導(dǎo)電特性影響非常顯著，當(dāng)顆粒沒有接觸時(shí)，材料的電阻隨著壓力的增加呈指數(shù)遞減，當(dāng)顆粒接觸以后，電阻與壓力的關(guān)系變成乘方關(guān)系[9]。

由于磁流變彈性體內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)的特殊性以及內(nèi)部顆粒具有導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性，使其具備對(duì)外界激勵(lì)響應(yīng)敏感的特性[10]。因此準(zhǔn)確控制鐵磁性顆粒在混合基體中的分散狀態(tài)可以提高磁流變彈性體的導(dǎo)電性。目前已制備出各種磁流變彈性體，但還存在可控動(dòng)態(tài)范圍較小以及性能穩(wěn)定性差等不足，限制了它們的應(yīng)用。如何改進(jìn)制備方法、制備出更高磁流變效應(yīng)的磁流變彈性體是一個(gè)最重要的研究目標(biāo)。文中通過(guò)對(duì)磁流變彈性體導(dǎo)電性能測(cè)試元件的制備，提高了磁流變彈性體樣品與測(cè)試元件的結(jié)合度，改善了磁流變彈性體的電性能測(cè)試的穩(wěn)定性，為高性能磁流變彈性體的制備及準(zhǔn)確的導(dǎo)電性能測(cè)試提供了準(zhǔn)確的參考。

1導(dǎo)電性元件制備

本文制備的磁流變彈性體導(dǎo)電機(jī)理與一般的導(dǎo)電高分子材料相似，導(dǎo)電的原理是填料在基體材料中形成導(dǎo)電通道，在制備初期，鐵磁性顆粒濃度低，分散于基體中，在外加磁場(chǎng)作用下顆粒磁化由較高的能量狀態(tài)向較低的能量狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，形成連接極板的鏈狀結(jié)構(gòu)，極化顆粒之間協(xié)同導(dǎo)電。根據(jù)磁流變彈性體的這一特性，設(shè)計(jì)出一種導(dǎo)電性元件，該元件采用模具與磁流變彈性體樣品固定化成型的制備方法。不僅可以提高磁流變彈性體樣品的填充量，使其與導(dǎo)電元件的結(jié)合度提高，還可以提高磁流變彈性體的導(dǎo)電性，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)的可靠度。

1.1實(shí)驗(yàn)原料

磁流變彈性體主要由羰基鐵粉、硅橡膠及固化劑組成。鐵磁性顆粒的種類和尺寸和含量對(duì)磁流變彈性體的性能都有很大的影響[11]。顆粒材料要求具有較高的磁導(dǎo)率和高飽和磁化強(qiáng)度，以增強(qiáng)顆粒在較強(qiáng)磁場(chǎng)中的磁場(chǎng)力。同時(shí)顆粒材料還必須具有很低剩磁，以保證磁流變彈性體性能的穩(wěn)定性；基體材料的性能要求具有較好的穩(wěn)定性，抗老化、永久變形小。一般要求基體材料固化前的黏度不大于10Pa·s，固化后的彈性模量要比較?。惶砑觿┑氖褂昧繉?duì)磁流變彈性體在制備過(guò)程中降低基體材料固化前的黏度和固化后的彈性模量起到重要的作用。

根據(jù)以上要求，本實(shí)驗(yàn)選用型號(hào)為MPS-MRF-35(江蘇天一超細(xì)金屬粉末有限公司)的羰基鐵粉作為填充材料，基體材料為道康寧184硅橡膠，道康寧184硅橡膠為雙組份高溫硫化硅橡膠，包含聚合物原料和固化添加劑兩種組份，其基本性能滿足上述要求。按表1的配比制備單一粒徑的磁流變彈性體。

表1不同磁流變彈性體中的鐵粉含量(體積比v/v)

Table1ThevolumefractioncarbonylironinsideMREs

試樣編號(hào)鐵粉硅橡膠固化添加劑MRE-11%89%10%MRE-20.1%89.9%10%

1.2導(dǎo)電元件模具制備

本實(shí)驗(yàn)制備磁流變彈性體所設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，主要分為帶有圓形凸臺(tái)的上下端蓋、分體擋圈、緊固螺栓螺母等3部分，其主要材料為非導(dǎo)磁材料(純銅)，可防止磁集聚現(xiàn)象。帶有圓形凸臺(tái)的上下端蓋中間由擋圈起連接作用，上下凸臺(tái)間距為1mm，磁流變彈性體樣品直徑為16mm，螺栓螺母緊固上下端蓋，當(dāng)硅橡膠固化完成后，將擋圈移去，同時(shí)端蓋始終保持與樣品相接觸，能夠最大限度的保證模具與樣品的結(jié)合度，提高實(shí)驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性，為后期實(shí)驗(yàn)測(cè)量做準(zhǔn)備。移除擋圈后，固化后的磁流變彈性體樣品和模具共同構(gòu)成導(dǎo)電性元件如圖1(b)所示。

圖1　導(dǎo)電性元件模具結(jié)構(gòu)

1.3磁流變彈性體制備

磁流變彈性體的制備主要包括3個(gè)階段：混合、顆粒結(jié)構(gòu)化和基體材料固化，其具體步驟為：

(1) 首先將稱量好的硅橡膠和羰基鐵粉混合機(jī)械攪拌10min。然后將混合物放入真空干燥箱，抽真空30min，除去氣泡。

(2) 將稱量好的固化劑加入到混合物中機(jī)械攪拌10min，放入真空干燥箱，抽真空30min，再次除氣泡，抽真空的過(guò)程重復(fù)目的是最大程度的除去磁流變混合液攪拌時(shí)混入的空氣。

(3) 除去氣泡后將混合物注入到制備好的磁流變彈性體模具中，將模具固定后放入由兩塊耐高溫永久強(qiáng)磁鐵構(gòu)成的靜強(qiáng)磁場(chǎng)裝置中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為115mT。

(4) 將磁場(chǎng)裝置和模具都放入到真空干燥箱中，逐步加熱到120 ℃。在溫度達(dá)到120 ℃后60min，待硅橡膠固化完成后取出模具冷卻。

(5) 待冷卻后將擋圈移去，同時(shí)端蓋始終保持與樣品相接觸的原始狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)該模具制備出來(lái)的不同配比單一粒徑的磁流變彈性體樣品如圖2所示。真空掃描隧道顯微鏡下觀測(cè)到的磁流變彈性體縱切面的微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示，可以看到通過(guò)該方法制備出來(lái)的磁流變彈性體縱切面的鐵磁性顆粒基本上沿磁場(chǎng)方向成柱狀排列，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，符合后期的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)驗(yàn)要求。

圖2　固化后的磁流變彈性體樣品

圖3　磁流變彈性體縱切面的SEM圖

Fig3MicrostructureofcarbonylironparticlesinsideanMREsample

2磁流變彈性體壓敏導(dǎo)電性能測(cè)試

2.1測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法

基于磁流變彈性體自身的特點(diǎn)以及傳導(dǎo)電流和隧道電流導(dǎo)電機(jī)理的研究分析[12]，建立了一套基于磁流變彈性體壓敏導(dǎo)電特性的測(cè)試裝置。實(shí)驗(yàn)中使用的電源型號(hào)為GPC-3060D穩(wěn)壓電源3組輸出(兩組可調(diào)，一組固定電壓)，可調(diào)電壓從0～32V可手動(dòng)調(diào)整，顯示精度為0.25V。電壓測(cè)量?jī)x表為安捷倫數(shù)字臺(tái)式的萬(wàn)用表，其測(cè)量精度為0.001mV，測(cè)試裝置如圖4(a)所示,測(cè)試電路簡(jiǎn)圖如圖4(b)所示。

將該導(dǎo)電性元件模具的上下銅端蓋上分別焊上銅導(dǎo)線，通過(guò)導(dǎo)線與直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源和電阻串聯(lián)成閉合回路，串聯(lián)電阻起到分壓的作用，防止測(cè)量時(shí)由于電源內(nèi)阻過(guò)大對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。具體測(cè)試過(guò)程為：將磁流變彈性體樣品放在壓力機(jī)的工作臺(tái)上。壓力機(jī)的工作臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)控制上下移動(dòng)，可以調(diào)節(jié)施加在樣品上的壓力。在保持壓力的同時(shí)在磁流變彈性體樣品兩端的端蓋上施加直流電壓，通過(guò)計(jì)算得出流經(jīng)磁流變彈性體樣品的電流。

圖4　磁流變彈性體壓敏導(dǎo)電性能測(cè)試系統(tǒng)

Fig4PressuresensitivitymeasurementsystemoftheconductiveMREs

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析

調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源輸出電壓U,串聯(lián)電路中的電阻為R0,通過(guò)臺(tái)式萬(wàn)用表測(cè)得施加在R0兩端電壓U1，根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算流經(jīng)電路中的電流為

(1)

導(dǎo)電元件中磁流變彈性體樣品的電導(dǎo)為

(2)

導(dǎo)電元件中磁流變彈性體樣品的電導(dǎo)率為

(3)

磁流變彈性體樣品的電導(dǎo)G，電導(dǎo)可通過(guò)電流和電壓的測(cè)量得到，根據(jù)關(guān)系式可進(jìn)一步得到電阻率數(shù)值。A為磁流變彈性體樣品測(cè)量電極的有效接觸面，L為樣品的高度，即上下端蓋極板間距離。

對(duì)配備好的MRE-1和MRE-2磁流變彈性體樣品在未施加壓力的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到電流和電阻率隨電壓變化趨勢(shì)，如圖5所示。

圖5　未施加壓力電流和電阻率隨電壓變化趨勢(shì)圖

Fig5Currentandelectricalresistivitydependonvoltagevariationwithoutpressure

由圖5可見，在初始電壓很小的情況下，磁流變彈性體初始電阻率達(dá)到最大值，磁流變彈性體樣品的電阻率隨著外加電場(chǎng)的變化響應(yīng)非常敏感，電阻率隨電壓的增加而減小，初始電壓從0增加到15V過(guò)程中，電阻率下降速度最快，電壓大于15V時(shí)，電阻率隨著外加電壓的增加下降速度趨于平穩(wěn)。電流隨電壓的增加而增加，電壓越大電流增加的越明顯，電流與電壓表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)MRE-1和MRE-2兩種磁流變彈性體樣品施加相同的壓力108MPa后突然卸載，每隔30min對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，并與未施加壓力的情況下進(jìn)行比較，得到磁流變彈性體受外加壓力下電流和電阻率隨電壓變化的趨勢(shì)圖，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)作用于MRE上的載荷發(fā)生變化時(shí)，MRE的電導(dǎo)也會(huì)隨時(shí)間和外加電場(chǎng)變化而改變。對(duì)樣品施加壓力后突然卸載，在相同的時(shí)間內(nèi)，電流和電阻率的變化趨勢(shì)和未施加壓力時(shí)的變化趨勢(shì)是一致的。由于基體的粘彈性，壓應(yīng)力隨時(shí)間衰減，磁流變彈性體樣品電阻率不斷增加，流經(jīng)樣品電流不斷減小，顆粒體積分?jǐn)?shù)0.1%的MRE樣品的電阻率明顯大于1%的MRE樣品，流經(jīng)樣品的電流明顯小于1%的MRE樣品。較小的顆粒體積比對(duì)混合液的黏度影響較小，對(duì)MRE樣品的電導(dǎo)影響更加敏感。

圖6　壓力卸載后電流和電阻率分別隨電壓變化趨勢(shì)圖

3結(jié)論

設(shè)計(jì)并制備了一種磁流變彈性體導(dǎo)電性能測(cè)試元件，提高了磁流變彈性體樣品與測(cè)試元件的結(jié)合度，在外加靜態(tài)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下提高了鐵磁性顆粒原始分散狀態(tài)的自動(dòng)恢復(fù)性，同時(shí)防止磁集聚現(xiàn)象，改善了磁流變彈性體電性能測(cè)試的穩(wěn)定性，對(duì)研究觸覺傳感器是一種新的探索，為高性能磁流變彈性體的制備及準(zhǔn)確的導(dǎo)電性能測(cè)試提供了準(zhǔn)確的參考。利用該導(dǎo)電性元件進(jìn)一步設(shè)計(jì)了對(duì)磁流變彈性體的壓敏導(dǎo)電特性的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析可獲得磁流變彈性體導(dǎo)電特性的敏感度、線性關(guān)系受外加電場(chǎng)和基體材料的粘彈性影響非常顯著。

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文章編號(hào)：1001-9731(2016)07-07216-04

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2011EEM005)；青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)重點(diǎn)科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013-1-67)

作者簡(jiǎn)介：肖林京(1966-)，男，山東沂水人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電傳動(dòng)控制、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等方面的教學(xué)研究工作。

中圖分類號(hào)：TM206

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.042

Fabrication and pressure-sensitive electrical conductivity of magnetorheological elastomers

XIAO Linjing1, FAN Yamin1, ZHU Xuli1,TENG Guirong2, XIAO Nan1,WANG Chuanping1, GONG Xubo1, WEI Jie1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China;2. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China)

Abstract:A magnetorheological elastomer conductive element and its basic preparation process were designed based on its electric conductivity. Further we designed the test device for the entire electrical conductivity device based on reliability of the conductive element. Under the same conditions, the samples with different ratio of single particle diameter were prepared. Experimental results showed that the stability test of the electric conductivity can be achieved by using this device and the current and the resistivity of MREs are tested. Due to the viscoelasticity of the matrix material, the compressive stress decreases with time and the smaller particle size is less affected by the viscosity of the mixture. The conductance of MREs is affected more obviously by the viscoelasticity.

Key words:magnetorheological elastormers; conductive element; test device; electrical conductivity; viscoelasticity

收到初稿日期：2016-01-16 收到修改稿日期：2016-05-20 通訊作者：朱緒力，E-mail:zhuxuli@tsinghua.org.cn