硅橡胶基磁流变弹性体的研制及其优化设计

摘要

磁流变弹性体是一种磁场可控的智能材料，属于磁流变材料的一个分支，它的典型特征是模量可由外场控制。此外，它还具备磁控伸缩、磁控电阻等其它磁控性能。这些独特的优点使其在调谐吸振器、可调刚度的悬挂系统和可调阻抗表面等领域有着巨大的应用前景。然而目前的磁流变弹性体普遍存在磁流变效应不高、机械性能不强和动态阻尼过大等问题，还没有可以满足实际需要的材料，而且关于磁流变弹性体制备的研究较少。针对这一情况，本文系统研究了硅橡胶基磁流变弹性体的制备，其中包括室温硫化硅橡胶基和高温硫化硅橡胶基磁流变弹性体。从材料设计的理念出发，以高磁硫变效应、高机械性能和低阻尼为优化目标，对材料制备中的各个条件进行系统优化，深入研究各个制备条件对材料性能的影响。 为了更好地对材料的性能进行评价，本文首先建立了磁流变弹性体的机械性能和动态力学性能测试系统。同时为了深入理解磁流变弹性体的动态力学行为，还全面分析了包括测试频率、应变幅值、温度和厚度方向压缩等各个测试条件对材料动态力学性能的影响，其中首次研究了测试温度和厚度方向压缩对材料动态力学性能的影响。发现这些测试条件对材料的动态力学行为影响很大，特别是应变幅值对材料动态力学性能的影响尤为显著，在实际测试和应用中需要注意。 室温硫化硅橡胶由于具有制备方便、固化前流动性好等优点，是制备高磁流变效应材料的首选基体。为了探索制备具有高磁流变效应的材料，本文研究了以室温硫化硅橡胶为基体的磁流变弹性体的制备。探索了各个制备因素对材料性能的影响，其中包括颗粒掺杂、增塑剂的使用和制备磁场强度等，最终制备出磁流变效应超过800％的高性能磁流变弹性体。 本文还使用机械性能更好的高温硫化硅橡胶制备综合性能较好的磁流变弹性体。为此分别从硫化工艺、磁硫隔离工艺、增塑剂的使用和炭黑掺杂等方面对材料的制备进行了优化。其中首次研究了高温硫化硅橡胶基磁流变弹性体的硫化工艺，并首次提出使用磁硫隔离工艺降低材料的阻尼。最终通过试验找到最优的硫化条件和磁硫隔离工艺条件，以及最佳的增速方法和炭黑掺杂用量。 为了探索提高磁流变弹性体磁流变效应的方法，本文还对磁流变弹性体的预结构工艺进行了全面的研究。分别对预结构工艺的预结构磁场、时间和温度对磁流变弹性体磁流变效应的影响进行了分析。发现预结构工艺直接影响了铁颗粒在材料中的最终有序结构，为了分析颗粒在预结构过程运动状态，还对铁颗粒在预结构过程中的受力情况进行了分析。根据实验结果，首次提出临界磁场、时间和温度的概念，并对三者之间的关系进行了深入的讨论。 阻尼是影响磁流变弹性体应用的一个重要因素，为了降低材料阻尼，本文首次研究了颗粒包覆对磁流变弹性体性能动态力学性能的影响。尝试使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)对羰基铁粉进行包覆，并使用包覆后的复合颗粒制备磁流变弹性体，测试了使用包覆颗粒材料的动态力学性能，研究了材料的磁流变效应和Payne效应。通过试验发现使用包覆颗粒制备的磁流变弹性体零场模量更高，损耗因子更小，Payne效应也更低，这些现象都是由于使用复合颗粒增强了颗粒和基体的结合能力。另外由于复合颗粒的运动阻力较大，影响了材料内部颗粒的分布，且复合颗粒之间的距离也较大，所以使用复合颗粒的材料磁流变效应会有所降低。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1磁流变材料

1.2磁流变弹性体

1.2.1磁流变弹性体的制备

1.2.2磁流变弹性体性能测试

1.2.3磁流变弹性体理论模型

1.2.4磁流变弹性体的应用

1.3本文的研究目标和内容

第二章 磁流变弹性体的性能测试和评估

2.1引言

2.2磁流变弹性体机械性能测试

2.3磁流变弹性体磁场下动态力学性能测试

2.3.1复模量、复柔量、损耗因子和能量耗散的概念

2.3.2磁致粘弹性

2.3.3磁场下动态剪切性能的测试原理和主要测试方法

2.4测试条件对磁流变弹性体磁流变效应的影响

2.4.1测试频率对材料动态力学性能的影响

2.4.2测试应变对材料动态力学性能的影响

2.4.3测试温度对材料动态力学性能的影响

2.4.4厚度方向压缩对材料动态力学性能的影响

2.5本章小结

第三章 室温硫化硅橡胶基磁流变弹性体的研制

3.1引言

3.2材料制备和表征

3.2.1材料制备方法

3.2.2材料性能的测试和表征

3.3制备因素对磁流变弹性体性能的影响

3.3.1颗粒粒径对磁流变弹性体性能的影响

3.3.2颗粒含量对磁流变弹性体性能的影响

3.3.3甲基硅油粘度对磁流变弹性体性能的影响

3.3.4甲基硅油含量对磁流变弹性体性能的影响

3.3.5制备磁场对磁流变弹性体性能的影响

3.4本章小结

第四章 高温硫化硅橡胶基磁流变弹性体的研制

4.1引言

4.2高温硫化硅橡胶基磁流变弹性体的材料制备和性能表征

4.2.1材料制备方法

4.2.2材料性能测试和表征

4.3高温硫化硅橡胶基磁流变弹性体的硫化方法

4.3.1热硫化方法

4.3.2辐射硫化方法

4.3.3不同硫化方法的对比

4.4高温硫化硅橡胶基磁流变弹性体的磁硫隔离工艺

4.4.1磁硫隔离温度

4.4.2磁硫隔离时间

4.5高温硫化硅橡胶基磁流变弹性体的增塑剂使用

4.5.1增塑剂种类

4.5.2增塑剂含量

4.6高温硫化硅橡胶基磁流变弹性体的炭黑掺杂工艺

4.7本章小结

第五章 磁流变弹性体制备中的预结构工艺

5.1引言

5.2磁场下颗粒的运动

5.2.1磁场力

5.2.2颗粒重力

5.2.3基体分子热运动力

5.2.4基体对球形颗粒的阻力

5.3预结构工艺的优化研究

5.3.1预结构磁场

5.3.2预结构时间

5.3.3预结构温度

5.4本章小结

第六章 颗粒包覆对磁流变弹性体性能的影响

6.1引言

6.2颗粒表面处理

6.2.1颗粒物理修饰

6.2.2颗粒化学修饰

6.2.3固相包覆

6.2.4液相包覆

6.2.5气相包覆

6.2.6微胶囊化包覆

6.3聚甲基丙烯酸甲酯包覆羰基铁粉对磁流变弹性体性能的影响

6.3.1 PMMA包覆羰基铁粉的试验方法和结果表征

6.3.2羰基铁粉包覆对材料性能的影响

6.4本章小结

第七章 总结和展望

7.1工作总结

7.2展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果