硅橡胶基磁流变弹性体制备与性能分析

摘要

磁流变弹性体是一种新型的智能复合材料，属于磁流变材料的一个新的分支。它主要由铁磁性颗粒与聚合物组成，其内部的铁磁性颗粒呈链状有序结构。它的力学性能受外加磁场控制，可应用于变刚度或避免共振的智能器件。
　　 本文在不同的预加磁感应强度下，尝试采用微米级羰基铁粉为磁性填充粒子，双组分室温硫化硅橡胶为基体，按照不同的组份配比，制备了高性能的磁流变弹性体。同时对其各项性能做出了评价与分析。
　　 通过测试不同试样的密度和邵氏硬度。发现由于硅橡胶体积的变化，有磁制备试样的密度小于无磁制备的试样，两种制备条件下试样的硬度差别不大，而且密度和硬度都随羰基铁粉含量增加而增大。通过观察不同成分配比试样的微观形貌，发现在材料固化时施加磁场，铁磁性粒子在磁场力作用下会排列成链状结构。
　　 通过测试不同羰基铁粉含量磁流变弹性体的静态剪切性能。结果表明，随着羰基铁粉质量分数的增加，试样的静态剪切模量随之增大，且有磁场制备试样的剪切模量大于无磁场制备试样，在羰基铁粉含量为70％时，有磁场制备试样的剪切模量可达1.536MPa，无磁场制备试样只有0.873MPa。在垂直于链状结构方向上施加剪切作用力，其剪切模量大于平行链状结构方向，两个方向上的静态剪切模量最大相差0.436MPa。
　　 建立了动态力学性能测试系统，该系统可测试得到磁流变弹性体的共振频率，并利用共振频率推导出了动态剪切模量计算公式。通过测试0mT～700mT磁感应强度下不同羰基铁粉含量磁流变弹性体的共振频率，得到了动态剪切模量的变化规律。结果表明，测试磁场越大、羰基铁粉含量越多，共振频率越大，磁流变效应也越大；在700mT磁感应强度下及羰基铁粉质量分数为75％时，所制备的磁流变弹性体共振频率相对变化率可达到30％，同时，其动态剪切模量最大相对变化率可以达到66％，达到了磁场控制剪切模量的目的。
　　 研究了磁性颗粒尺寸、外加剂含量和预结构化磁场对磁流变性能的影响。结果表明，通过选用大粒径颗粒、加入适量的硅油来改变基体性能和增大预加结构化磁场可以增强磁流变效应。其中，5.23μm粒径的羰基铁粉制备出试样的最大磁流变效应达到了59％，2.25μm粒径的试样只有42％；10％硅油含量的试样磁流变效应达到了61.2％，含量0％的试样则只有34.2％；羰基铁粉含量为30％时，零磁场下制备试样磁流变效应为18％，而500mT下制备的试样的磁流变效应提高到了35％。