面向隔振缓冲结构的磁流变弹性体的研制及其性能表征

摘要

磁流变弹性体属于一种磁控智能材料,是磁流变家族中新兴的一员,主要由橡胶类高分子聚合物和微米级软磁颗粒组成。因采用了固态橡胶类材料作为基体,有效地避免了颗粒的沉降及应用时需要密封等问题,具有响应迅速、控制简便等优点。通过改变外加的磁场强度,磁流变弹性体的模量(刚度)、阻尼等性能能够得到实时可逆的控制,在隔振缓冲、磁控传感等领域具有广阔的应用前景。但目前的磁流变弹性体还存在着磁致效应低下,缺乏应用环境对磁致性能影响程度的评估等问题,还无法满足实际的工程应用需求。面对上述问题,本文从磁流变弹性体的研制出发,对磁流变弹性体的磁致影响因素、磁致机理、应用条件的影响及基于磁致效应的隔振缓冲特性等进行研究。
　　本文设计了磁流变弹性体的制备装置,对磁流变弹性体的制备工艺进行研究,制备了硅橡胶基和新型聚氨酯基磁流变弹性体。为了对磁流变弹性体的磁致效应进行评估,针对粘弹性材料特性及磁流变弹性体的工作模式,构建了动态力学性能测试系统,可对磁流变弹性体在磁场作用下的模量(刚度)与阻尼特性进行表征,并利用光学显微镜和扫描电子显微镜对其微观形态进行观测。
　　从基体、填充颗粒、辅助添加剂出发,研究基体种类、交联度;颗粒的种类、颗粒组成成分、颗粒含量;以及增塑剂与补强剂对磁流变弹性体磁致效应的影响,并制备出磁流变效应高达1690％的磁流变弹性体。另外,为了提高磁流变弹性体的磁致效应,还研究了磁流变弹性体结构的改变对磁致效应的影响,本文首次通过化学发泡工艺,研制了多孔磁流变弹性体。利用图像处理与分析技术测量多孔磁流变弹性体的孔隙率及孔径等参数。通过对其动态力学性能的测试与分析,明确了孔隙率及制备磁场与多孔磁流变弹性体磁致性能之间的关系。
　　分别从微观及宏观层面对磁流变弹性体的磁致机理进行探讨。首先基于磁流变弹性体的贯穿式单链理想结构,建立了链状结构的微观力学模型;另外结合磁流变弹性体的微观形貌,从软磁颗粒的非线性磁化过程及颗粒分布特征考虑,推导了耦合场修正模型,实现对磁流变弹性体微观磁致机理的探究。其次,结合粘弹性理论对宏观层面磁致机理进行分析,建立磁流变弹性体的磁致粘弹性模型,通过实验数据对其进行参数识别,并采用实验验证了磁致粘弹性模型的合理性。
　　磁流变弹性体作为一种复合材料,基体是由高分子聚合物组成,其磁致力学性能在一定程度上将受到应用条件的影响。本文从应变、法向压力、耐久性、温度及辐射等应用条件出发,研究并评估应用条件对磁流变弹性体磁致力学性能的影响程度,并就上述应用条件对磁流变弹性体的影响机理进行了深入探讨。
　　鉴于实际工程应用的需求,基于磁流变弹性体的磁致效应设计了隔振实验装置,利用电磁振动系统对隔振装置的隔振特性进行实验。通过加速度传递率曲线的交点作为阈值对系统的振动传递特性进行调节,可实现在一定的频率范围内具有优良的隔振效果,尤其是在共振点处的隔振效果最佳。最后,结合多孔磁流变弹性体的优良的能量耗散能力及独特的结构,设计跌落缓冲实验,对其缓冲特性进行研究与分析。本研究将为磁流变弹性体走向工程应用提供参考。

目录

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目录

1 绪 论

1.1磁流变材料简介

1.2磁流变弹性体

1.3磁流变弹性体在振动隔离中的应用

1.4磁流变弹性体研究中存在的问题

1.5本文的内容结构安排

2 磁流变弹性体的制备与性能表征系统建立

2.1引言

2.2硅橡胶基磁流变弹性体的制备

2.3聚氨酯基磁流变弹性体的制备

2.4磁流变弹性体性能表征

2.5本章小结

3 磁流变弹性体磁致特性的影响因素研究

3.1引言

3.2磁流变弹性体主要组成部分(1)基体

3.3基体对磁流变弹性体磁致性能的影响

3.4填充颗粒对磁流变弹性体磁致性能的影响

3.5辅助添加剂的影响

3.6多孔磁流变弹性体及其磁致性能

3.7本章小结

4 磁流变弹性体磁致机理研究

4.1引言

4.2磁流变弹性体微观磁致机理

4.3磁流变弹性体宏观磁致机理

4.4本章小结

5磁流变弹性体在不同应用条件下的磁致性能研究

5.1引言

5.2应变幅值对磁流变弹性体性能的影响

5.3法向力对磁流变弹性体性能的影响

5.4时间耐久性对磁流变弹性体性能的影响

5.5磁流变弹性体的温度影响特性

5.6辐射对磁流变弹性体性能影响

5.7本章小结

6 基于磁流变弹性体磁致效应的隔振缓冲特性研究

6.1引言

6.2磁流变弹性体隔振实验研究

6.3磁流变弹性体缓冲实验研究

6.4本章小结

7 总结与展望

7.1本文工作总结

7.2论文的创新之处

7.3论文的不足之处及研究展望

致谢

参考文献

附录