磁流变弹性体:阻尼机理的研究与机械性能的强化

摘要

磁流变弹性体(MRE)是智能材料的一个分支，是一种具有新颖磁致特性的颗粒增强复合材料，是将微米级的磁性颗粒分散进聚合物基体中得到的。由于其机械性能可随外加磁场连续、可逆的改变，且响应时间较短(通常为毫秒级)，因而近年来，磁流变弹性体在学术界、工业界引起了极大的关注，并广泛应用于振动控制领域，如动力吸振器等。
　　 阻尼是决定磁流变弹性体在振动控制领域得以实际应用的重要参数。系统地研究磁流变弹性体阻尼的来源与作用机理是决定磁流变弹性体能广泛应用的关键。而目前针对磁流变弹性体的阻尼机理的研究还不透彻。本文以磁流变弹性体阻尼机理的研究为主线，分析了磁流变弹性体的阻尼机理，建立了磁流变弹性体的微观阻尼模型，并通过理论和实验研究，分析了磁流变材料的刚度、耐久性能，利用优化实验参数来提高磁流变弹性体的制备工艺。具体内容如下:
　　 1.鉴于磁流变弹性体属于颗粒增强复合材料，本文将磁流变弹性体的阻尼分为非磁性阻尼和磁性阻尼。其中，非磁性阻尼主要由本征阻尼和界面阻尼构成，磁性阻尼主要为磁-机械滞后阻尼。在此基础上提出了预测磁流变弹性体阻尼的微观模型，并进行了实验验证。结果发现，微观模型的理论预测值和实验结果吻合较好。此外，针对不同的阻尼来源，讨论了影响磁流变弹性体阻尼的参数，并得到了各参数和总体阻尼的定量关系，为工程应用提供理论指导。
　　 2.制备了一种新的碳化硅(SiC)增强磁流变弹性体来提高其机械性能。系统地评估了SiC增强型磁流变弹性体中所添加的SiC颗粒的粒径及含量对磁流变弹性体的动态特性的影响，如对剪切储能模量，阻尼特性及磁流变效应。研究结果表明，当SiC颗粒含量3.2 wt％，平均粒径0.06μm时，SiC颗粒对磁流变弹性体的机械性能的增强效应最佳。同时，根据阻尼的微观模型分析研究了这种增强效应的具体机理。
　　 3.在上述工作基础上，通过添加60 nm SiC纳米颗粒提高磁流变弹性体的耐久性能，分析了SiC纳米颗粒对磁流变弹性体耐久性能的增强机理。与传统磁流变弹性体相比，掺加SiC颗粒的磁流变弹性体的耐久性能得到了显著的提高。在相同的加载周期下，添加4 wt％的SiC的增强型磁流变弹性体的最大储能模量和磁致储能模量比未添加SiC的传统磁流变弹性体分别大1.1和1.3倍。结果表明，SiC纳米颗粒的引入可以改变预结构过程中羰基铁粉颗粒周围的应力分布状况，进而改变磁流变弹性体的微观结构。
　　 本文致力于磁流变弹性体阻尼机理研究及机械性能优化，提出了磁流变弹性体的微观阻尼模型，并通过实验验证了此模型可以较好的预测磁流变弹性体的阻尼性能。还提出了用SiC颗粒改善磁流变弹性体刚度、阻尼等机械性能的方法，并得到了有最佳增强效应的SiC颗粒的粒径及含量。最后，本文还研究了SiC纳米颗粒对磁流变弹性体耐久性能的影响，并得到了耐久性能提高最显著的SiC纳米颗粒的含量。

目录

声明

摘要

符号说明

图表说明

第1章 绪论

1．1 磁流变材料简介

1．2 磁流变液及研究现状

1．2．1 磁流变液工作原理

1．2．2 磁流变液理论及实验研究现状

1．2．3 磁流变液的应用研究

1．3 磁流变弹性体及研究现状及存在的科学问题

1．3．1 磁流变弹性体工作原理

1．3．2 磁流变弹性体的理论与实验研究

1．3．3 磁流变弹性体的应用研究

1．3．4 磁流变弹性体中存在的科学问题

1．4 其它磁流变材料

1．5 本文研究目标和内容

第2章 磁流变弹性体的阻尼机理研究

2．1 引言

2．2 磁流变弹性体的阻尼机理的理论研究

2．2．1 本征阻尼分析

2．2．2 界面阻尼

2．2．3 磁-机械滞后阻尼分析

2．2．4 磁流变弹性体的总体阻尼

2．3 磁流变弹性体阻尼性能的实验值及分析

2．3．1 本征阻尼的实验值及分析

2．3．2 界面阻尼的实验值及分析

2．3．3 磁-机械滞后阻尼的实验值及分析

2．4 本章小结

第3章 SiC增强型磁流变弹性体的刚度阻尼等力学性能研究

3．1 引言

3．2 实验材料制备与表征

3．2．1 SiC增强型磁流变弹性体的制备

3．2．2 SiC增强的磁流变弹性体的力学性能测量和微观结构

3．3 SiC增强型磁流变弹性体的机械性能及分析

3．3．1 SiC颗粒对磁流变弹性体储能模量及微观结构的影响

3．3．2 SiC颗粒对增强型磁流变弹性体阻尼特性的影响

3．3．3 SiC颗粒对增强型磁流变弹性体机械性能的增强作用机理

3．4 本章小结

第4章 SiC纳米颗粒增强型磁流变弹性体的耐久性能研究

4．1 引言

4．2 材料准备和性能表征

4．2．1 试样准备

4．2．2 周期加载荷机械性能表征

4．3 SiC纳米颗粒增强型磁流变弹性体的耐久性能及分析

4．3．1 不同加载周期对SiC纳米颗粒增强型磁流变弹性体机械性能的影响

4．3．2 不同应变幅值对SiC纳米颗粒增强型磁流变弹性体机械性能的影响

4．3．3 含不同SiC纳米颗粒的磁流变弹性体的微观形貌

4．3．4 SiC纳米颗粒增强型磁流变弹性体的耐久性能提高的机理研究

4．4 本章小结

第5章 总结及展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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