外加磁場強度對磁流變彈性體特性影響的實驗分析

葛現(xiàn)偉，曾建斌，楊 威，劉晉彤

（廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024）

磁流變彈性體（magneto-rheological elastomers，MREs）是一種新型的磁敏材料，因其特性可以隨著外部磁場強度的改變而改變，且響應速度快、可控可逆［1］，被廣泛應用于各種領域，對其特性的研究也逐漸成為當今社會的熱點。MREs一般由質(zhì)地較軟的基底和磁性顆粒組成。在過去十幾年里，研究者在制備MREs材料的過程中，通過改變磁性顆粒和基體的材料、改變磁性顆粒的尺寸和體積百分比來制備不同的MREs材料［2-8］。制備過程中，根據(jù)有無外加磁場，MREs可以分為各向同性和各向異性兩大類［9］。各向同性MREs 內(nèi)部的磁性顆粒均勻地分布在軟基底中；各向異性MREs 內(nèi)部磁性顆粒呈現(xiàn)聚鏈結(jié)構(gòu)，且可根據(jù)外加磁場強度、磁性顆粒的種類、大小和含量等發(fā)生改變。

影響MREs材料性能的主要因素包括基體材料、分散劑（鐵磁性顆粒）的體積比、分散劑的特性（顆粒大小、組成、形態(tài)等），以及外加磁場的強度［10］。其中，外加磁場強度對各向異性MREs特性的影響更加顯著［11-13］。Boczkowska 等［14］研究了磁性顆粒含量與MREs空間聚鏈結(jié)構(gòu)的關系，實驗結(jié)果表明，磁性顆粒含量越大的MREs 內(nèi)部形成的聚鏈結(jié)構(gòu)更加復雜。Bica 等［15］研究了磁場強度與MREs 儲能模量之間的關系，結(jié)果表明，磁場強度會增大材料的存儲模量，磁性顆粒含量太高會導致MREs基底的斷裂及連續(xù)性差。Coquelle 等［16］研究了磁性顆粒對MREs 空間聚鏈結(jié)構(gòu)影響，將MREs 放置于有磁場的環(huán)境下進行拉伸實驗，研究了磁性顆粒聚鏈結(jié)構(gòu)對MREs準靜態(tài)特性的影響，結(jié)果表明，內(nèi)部的聚鏈結(jié)構(gòu)增加了MREs 的彈性模量。目前，MREs 的研究成果多為影響因素與MREs 特性相關性高低［17-19］，而對影響因素與每個特性變化趨勢和特性變化量之間的關系鮮有報道。為此，本文制備3個不同質(zhì)量分數(shù)磁性顆粒各向異性的樣品，測量不同外加磁場強度下樣品的剪切模量和韌性，分析外加磁場強度對MREs 特性變化趨勢和變化量的影響，以期得到外加磁場強度與MREs 剪切模量、韌性變化趨勢和變化量之間的關系。

1 實驗設計

1.1 實驗材料

本實驗中選用的材料有：硅橡膠，選用卡夫特K-705型號；填充磁性顆粒為羰基鐵粉，購置于廣州復梵科技有限公司，型號為中冶鑫盾合金的高純GR超細鐵粉，其平均粒徑為8 μm；二甲基硅油作為磁性顆粒與硅橡膠接觸的潤滑劑和固化劑，選用道康寧公司生產(chǎn)的粘度為500CS的PMX-200進口二甲基硅油。

1.2 樣品制備

分別按3 種不同配比①磁流變彈性體是一種復合磁敏材料，樣品的剪切模量和韌性與其配比和外加磁場強度有關，合適的配比和外加磁場強度可以使樣品的特性達到最優(yōu)。本文通過改變磁流變彈性體配比進行大量的實驗，并通過外加磁場測量其特性，根據(jù)其特性的優(yōu)劣，最終選取樣品的羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)分別為10%、20%和30%。，稱取一定質(zhì)量的硅橡膠、硅油和羰基鐵粉加入燒杯中。各組成成分及其質(zhì)量分數(shù)見表1。隨后對混合物進行充分攪拌至各成分混合均勻，然后將攪拌均勻的材料倒入模具并放進真空鍋中進行處理，排除混合物中的空氣。5min后取出裝著混合物的模具，并將其置于外加磁場中，使混合物中的羰基鐵粉形成聚鏈結(jié)構(gòu)。

表1 樣品組成質(zhì)量分數(shù)Table 1 Composition and content of the samples 單位：%

1.3 測量實驗

MRE 的剪切模量和韌性是根據(jù)材料的應力—應變曲線來計算的。材料的應力應變曲線測量所用的實驗裝置示意圖和實物圖如圖1（a）和圖1（b）所示。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental devices

樣品的應力由裝置中拉壓力傳感器（JLB-M2）測量得到，位移量由位移傳感器（LVDT、0～10 mm、0.1%）測量得到。拉壓力傳感器和位移傳感器的輸出信號通過示波器采集得到。

裝置磁場激勵部分主要由2對可移動鐵心和勵磁線圈組成，調(diào)節(jié)可移動鐵心之間的距離和勵磁線圈中的電流可以激勵出實驗所需要的磁場。

測試時，對于3種MREs樣品（羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)為10%、20%和30%）分別施加3種不同磁場強度（100 mT、150 mT和200 mT）的外加磁場，并通過實驗裝置測量樣品的剪切模量和韌性。為了減輕形變歷史和應力軟化對測量特性的影響，MREs樣品進行了預處理，每組實驗重復5次，取平均值進行分析。同時，為了排除歷史形變對MREs的影響，MREs樣品在每次測量之間提供15 min的恢復期。

2 實驗結(jié)果與分析

MREs 特性變化與磁性顆粒之間的相互作用有關。當外加磁場強度變化50 mT 時，樣品剪切模量的差值和韌性的差值，即為特性的變化量。MREs的應力—應變曲線是材料特性的最基本的體現(xiàn)，能夠?qū)崟r展現(xiàn)出MREs的剪切模量和韌性。圖2為3種樣品在100 mT、150 mT和200 mT外部磁場強度下的應力—應變曲線。由圖2 可知，MREs 隨著外加磁場強度的改變而影響其特性，具體表現(xiàn)為圖像斜率和面積的改變。圖2 中，3 種MREs 樣品的斜率都會隨著外加磁場強度的增大而增大，面積卻會隨著外加磁場的增大而呈現(xiàn)出減小的趨勢。

圖2 不同羰基鐵粉下MREs應力-應變曲線圖Fig.2 MREs stress-strain under different carbonyl iron powders

剪切模量表征MREs抵抗切應變的能力強弱，體現(xiàn)其剛性的大小，在實際測量中用磁滯回線的斜率進行量化，剪切模量越大，剛性越大。韌性大小表示MREs在塑性變形過程中吸收能量的能力，體現(xiàn)其發(fā)生脆性斷裂可能性大小，在實際測量中用應力—應變曲線的面積進行量化，韌性越大，發(fā)生斷裂的可能性就越小。3種MREs樣品剪切模量曲線和韌性曲線如圖3所示。

圖3 MREs特性曲線圖Fig.3 MREs characteristic curve

由圖3（a）可知，隨著外加磁場強度的增強，3 種樣品的剪切模量增大，呈正相關。羰基鐵粉質(zhì)量為10%的樣品，在外加磁場強度由100 mT 增加到150 mT 時，剪切模量增加15%，磁場強度由150 mT 增加到200 mT 時，剪切模量增加15%；羰基鐵粉質(zhì)量為20%的樣品在外加磁場強度由100 mT增加到150 mT 時，剪切模量增加15%，磁場強度由150 mT 增加到200 mT 時，剪切模量增加21%；羰基鐵粉質(zhì)量為30%的樣品在外加磁場強度由100 mT 增加到150 mT 時，剪切模量增加27%，磁場強度由150 mT 增加到200 mT 時，剪切模量增加27%。

由圖3（b）可知，隨著外加磁場強度的增大，3種磁流變彈性體的韌性減小，呈負相關；羰基鐵粉質(zhì)量為10%的樣品在外加磁場強度由100 mT增加到150 mT時，韌性減小13%，磁場強度由150 mT增加到200 mT時，韌性減少62%；羰基鐵粉質(zhì)量為20%的樣品在外加磁場強度由100 mT增加到150 mT時，韌性減小3%，磁場強度由150 mT 增加到200 mT 時，韌性減少8%；羰基鐵粉質(zhì)量為30%的樣品在外加磁場強度由100 mT 增加到150 mT 時，韌性減小6%，磁場強度由150 mT 增加到200 mT 時，韌性減少16%。

通過對比圖3（a）、（b）可知，外加磁場強度由100 mT 增加到200 mT 時，樣品剪切模量的2 次變化量基本保持不變，但是韌性2次變化量差異較大，最大可達49%。

3 結(jié)論

本文按照磁流變彈性體組成成分和含量的不同制備3種樣品，通過實驗測量樣品分別在外加磁場強度100、150、200 mT下的剪切模量和韌性。實驗結(jié)果表明，隨著外加磁場強度的增強，MREs剪切模量會增大，韌性卻會減小，宏觀表現(xiàn)為MREs更有剛性，更容易被拉斷，這與羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)無關；對于不同羰基鐵粉質(zhì)量分數(shù)的MREs，外加磁場強度的變化量對剪切模量的變化量影響較小，對韌性的變化量影響較大，當外加磁場強度變化50 mT時，韌性變化量差值最大可以達到49%。本文可為MREs 在工程上的應用提供一定的指導，但本文尚未分析外加磁場作用下MREs 內(nèi)部聚鏈結(jié)構(gòu)與宏觀特性之間的關系，后續(xù)研究可以對MREs的微觀機理進行深入分析。