蔣達國，朱正吼

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橡膠基軟磁復合薄膜壓磁性能機理模型的適應(yīng)性研究

*蔣達國1，朱正吼2

（1.井岡山大學數(shù)理學院，江西，吉安 343009；2.南昌大學材料科學與工程學院，江西，南昌 330031 ）

利用模壓成型法制備了丁基橡膠壓磁復合薄膜，并研究了粉體粒徑和薄膜厚度對其壓磁性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：復合薄膜的阻抗隨著粉體粒徑和薄膜厚度的減小而增大；阻抗變化幅度隨著粉體粒徑的減小呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，隨著薄膜厚度的減小而減小。用復合薄膜的壓磁性能的等效電路模型對實驗結(jié)果進行了理論分析，所得結(jié)論與實驗結(jié)果相符合。

復合薄膜；壓磁性能；粉體粒徑；薄膜厚度

0 引言

鐵磁性材料受到機械力的作用下發(fā)生應(yīng)變，使其內(nèi)部磁化狀態(tài)發(fā)生變化，從而導致阻抗發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象稱壓磁效應(yīng)。利用壓磁效應(yīng)可以開發(fā)出各種壓磁式傳感器，包括壓磁式非接觸扭矩傳感器、壓磁式非晶帶加速度傳感器和壓磁式壓力傳感器等[1-2]。橡膠粘結(jié)磁性材料，是將經(jīng)偶聯(lián)處理的磁粉和作為載體的粘結(jié)劑及少量的添加劑，按一定比例配合，經(jīng)軋制、壓延、注射或擠出加工而成的一種復合式功能材料。本文將磁性粉體彌散鑲嵌在高電阻非磁性材料的丁基橡膠中，制備了兩相組織的復合薄膜，這種復合薄膜電阻率高，在低頻時具有優(yōu)良的壓磁性能。

文獻[3-7]用趨膚效應(yīng)對橡膠基復合薄膜的壓磁性能進行了定性的分析，并未構(gòu)建復合薄膜壓磁性能的機理模型，并且，復合薄膜的磁導率低，電阻率大，其趨膚深度比復合薄膜的厚度要大，因此，用趨膚效應(yīng)分析復合薄膜的壓磁性能，有其局限性。

文獻[8-10]構(gòu)建了復合薄膜壓磁性能的等效電路模型，并用此模型對復合薄膜的電阻、電抗、阻抗等隨頻率和壓應(yīng)力的關(guān)系以及磁性粉體含量對復合薄膜壓磁性能的影響規(guī)律進行了理論推導，所得結(jié)論與實驗結(jié)果完全相符。本文用此等效電路模型進一步分析了粉體粒徑和薄膜厚度對復合薄膜壓磁性能的影響規(guī)律，所得結(jié)論與實驗結(jié)果完全符合，進一步驗證了該等效電路模型的普適性。文獻[5-6]研究了磁性粉體粒徑和薄膜厚度對硅橡膠基復合薄膜壓磁性能的影響規(guī)律，其實驗結(jié)論與本文相同，因此，電阻和電容串聯(lián)等效電路模型可以比較全面地解釋復合薄膜壓磁性能的規(guī)律。

1 實驗原理與方法

將磁性粉體放入鈦酸酯（NDZ－105）的THF溶液中進行表面處理；然后將粉體與丁基橡膠按3:1的質(zhì)量比混合均勻，加入硫磺、石蠟等添加劑充分混煉；將混煉好的復合材料放在兩張銅箔之間，加壓成型；最后在160 ℃下固化1 h，得到復合薄膜。

用4284A阻抗儀測試復合薄膜的阻抗，電流幅值為10 mA；用電子數(shù)顯千分尺測薄膜的厚度。

壓磁效應(yīng)測試方法如圖1所示，處于兩片銅箔之間的薄膜有效面積為6 mm×5 mm，在薄膜中心區(qū)施加點壓力，壓頭直徑為5 mm[11]。兩片銅箔端部與4284型阻抗分析儀連接，壓應(yīng)力的方向和電流的方向均沿薄膜的厚度方向。

圖1 壓磁性能的測試原理圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 等效電路模型

復合薄膜壓磁性能的等效電路模型為電阻與電容串聯(lián)模型[7-9]，其阻抗：

式中：、、、、、分別為薄膜的電阻、電抗、電阻率、電容、厚度和面積；為通過薄膜的正弦交流電頻率。

2.2 粉體粒徑對壓磁性能的影響

圖2是薄膜厚度為210 μm，測試頻率為5 kHz時，粉體粒徑對復合薄膜壓磁性能的影響曲線。從圖中可知，當壓應(yīng)力不變時，三種薄膜的阻抗都隨著粉體粒徑的減小而增大，阻抗變化幅度都隨著粉體粒徑的減小呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

因為，粉體粒徑越小，粉體在橡膠中的分散越好，復合薄膜的絕緣性能越好，其電阻率和電阻越大，同時，粉體在橡膠中的分散越好，復合薄膜的介電常數(shù)和電容越大，所以，根據(jù)式（2），復合薄膜的阻抗隨著粉體粒徑的減小而增大。

2.3 薄膜厚度對壓磁性能的影響

圖3是粉體粒徑為18 μm，測試頻率為10 kHz時，薄膜厚度對壓磁性能的影響曲線。從圖中可知，當壓應(yīng)力不變時，三種復合薄膜的阻抗都隨著薄膜厚度的減小而增大，阻抗變化幅度都隨著薄膜厚度的減小而減小。

根據(jù)電阻定律，電阻與厚度成正比，根據(jù)平行板電容器的電容公式，電容與厚度成反比，由于復合薄膜的阻抗主要由電容決定，所以，根據(jù)式（2），復合薄膜的阻抗隨著薄膜厚度的減小而增大。

3 結(jié)　論

以磁性粉體為磁性增強材料，以丁基橡膠為基體，利用模壓成型法制備的復合薄膜，其阻抗隨著粉體粒徑和薄膜厚度的減小而增大；阻抗變化幅度隨著粉體粒徑的減小呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，隨著薄膜厚度的減小而減小。用復合薄膜壓磁性能的電阻和電容串聯(lián)等效電路模型對實驗結(jié)果進行了理論分析，所得結(jié)論與實驗結(jié)果完全相符，驗證了此模型在柔性軟磁復合薄膜壓磁性能的普適性。

[1] Chazal H, Geoffroy O, Porteseil J L,et al. Infuence of magnetoelastic effects on the coercivity of ultrasoft nanocrystalline alloys[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2004,272:1436-1438.

[2] Barandiaran J M, Gutierrez J, Gomez-Polo C,et al. New sensors based on the magnetoelastic resonance of metallic glasses[J]. Sensors and Actuators, 2000,81:154–157

[3] 馬廣斌，朱正吼，李塘華.FeCuNbSiB/硅橡膠磁性復合薄膜制備及的壓磁性能研究[J].功能材料,2007, 38(11):1789-1789.

[4] 李塘華，朱正吼，馬廣斌.一種新型的壓磁薄膜[J].功能材料，2007,38(5):737-739.

[5] 黃渝鴻，郭靜，吳菊英，等.Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶粉/硅橡膠壓磁復合材料的制備與性能研究[J].橡膠工業(yè)，2008,55(6):329-333.

[6] 黃渝鴻，吳菊英，朱正吼，等.基于Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶/納米晶粉的壓磁復合材料研究[J].稀有金屬，2008,32(2):166-170.

[7] 萬珍珍，朱正吼，李塘華.FeCuNbSiB/丁基橡膠復合薄膜壓磁性能的研究[J].功能材料，2008,39(9):1494-1496.

[8] 蔣達國.橡膠基軟磁復合薄膜壓磁效應(yīng)及機理研究[J].兵器材料科學與工程，2011,34(01):38-40.

[9] 蔣達國，黃堅革.納米Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9顆粒/丁基橡膠復合薄膜的壓磁性能[J].機械工程材料，2011,35(2):82-85.

[10] 蔣達國.FeCuNbSiB非晶粉體/IIR復合薄膜的壓磁性能[J].熱加工工藝，2011,40(02):79-81.

[11] 蔣達國，朱正吼，馬廣斌.FeSiB非晶薄帶的壓磁效應(yīng)研究[J].功能材料，2007,38(6):911-913.

Suitability of mechanism model of piezomagnetic effect of rubber-based soft magnetic composite film

*JIANG Da-guo, ZHU Zheng-hou

(1. School of Mathematics and Physics, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Nanchang University, Nanchang, Jiangxi 330031, China)

Composite film was prepared from the Fe78Si9B13amorphous powders as reinforced material and butyl rubber as matrix by means of molding to shape, and influences of particle size and film thickness on the piezomagnetic property is also studied. The results showed that the impedance of composite film increases with the smaller particle size and the thinner film thickness. The results also showed that the rangeability of impedance increases first and then decreases with decreasing particle size and decreases with the thinner film thickness. The experimental results are theoretically analyzed with equivalent circuit model of piezomagnetic property of composite film and the conclusions are consistent with the experimental results.

composite film; piezomagnetic property; particle size; film thickness

1674-8085(2013)05-0055-05

O484.4;TB333

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.05.013

2013-06-05；

2013-08-11

國家自然科學基金項目(60961001)

*蔣達國(1968-），男，江西吉安人，教授，碩士，主要從事復合材料研究(E-mail:jgsxy_jdg@shou.com);

朱正吼(1969-），男，安徽樅陽人，教授，博士，主要從事材料學研究(E-mail:z00708@sina.com).