豐衛(wèi)邦，黃進(jìn)明，張杰

（中國遠(yuǎn)洋衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰215431）

1 引言

磁流變彈性體是新興的磁流變材料，是將微米級的磁性顆粒散布于固態(tài)狀或者凝膠狀的高分子聚合物基體中固化后形成的[1]。與磁流變液相比，磁流變彈性體不僅解決了磁性顆粒的沉降性和團(tuán)聚穩(wěn)定性問題，而且具有可控可逆、響應(yīng)迅速、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、制備成本低等獨特優(yōu)點，因而顯示出廣闊的應(yīng)用前景[2～4]。利用磁流變彈性體在外加磁場下的磁致效應(yīng)，有些研究者已設(shè)計出基于磁流變彈性體的器件。如Ford汽車公司設(shè)計出了能在軸向和徑向?qū)崿F(xiàn)不同的剛度控制的軸襯[5]；中國科技大學(xué)設(shè)計出剪切型磁流變彈性體主動移頻調(diào)諧式動力吸振器[6]。

但至今基于磁流變彈性體的應(yīng)用還很有限，尚未達(dá)到工業(yè)化和商業(yè)化的要求。目前國際上研制的磁流變彈性體存在磁致效應(yīng)和機(jī)械性能上的矛盾，導(dǎo)致研制的材料不能滿足工程應(yīng)用的要求；磁流變彈性體容易老化，使用壽命短。此外，對于磁流變彈性體的相關(guān)應(yīng)用研究處于起步階段，很多僅僅是概念化設(shè)計或者構(gòu)想，將其用于隔振器的相關(guān)報道更少。本文主要研究實用性磁流變彈性體，并對其力學(xué)性能、磁致力學(xué)性能、撕裂性能、老化性能、疲勞性能等進(jìn)行了研究。

2 實驗

2.1 原材料

羰基鐵粉，型號為MPS－MRF－25，實測平均粒徑 2.91 μm，江蘇天一超細(xì)金屬粉末有限公司生產(chǎn)； 聚醚的多元醇（PTMEG），工業(yè)品，上海山吉化工有限公司；萘－1，5－二異氰酸酯（簡稱 NDI），工業(yè)品，杭州崇舜化學(xué)公司；4-丁二醇（BDO），分子量 90.12，分析純，上海化學(xué)試劑一廠；三羥甲基丙烷（TMP），134.17，分析純，上?；瘜W(xué)試劑一廠；苯乙烯，分析純，上?；瘜W(xué)試劑一廠；2-4（氯磺酰苯基）-乙烷基三氯化硅烷（CTCS），分析純，上?；瘜W(xué)試劑一廠；氨丙基三甲氧基硅烷（SCA－1103），分析純，湖北德邦化工新材料有限公司。

2.2 磁流變彈性體的制備

根據(jù)磁流變彈性體的成型特點和合成方法，本文設(shè)計了一種新型物理化學(xué)混合預(yù)成型，即將表面接枝-OH功能化的羰基鐵粉與異氰酸酯進(jìn)行化學(xué)接枝反應(yīng)，然后再和多元聚酯進(jìn)行擴(kuò)鏈反應(yīng)形成預(yù)聚體，最后將預(yù)聚體與表面包覆過的羰基鐵粉、固化劑混合固化而成，具體如下：首先采用 SCA-1103對鐵粉進(jìn)行表面改性，然后與一定量的聚氨酯預(yù)聚體混合?；旌暇鶆蚝蟪楸M氣泡，將混合物加入已經(jīng)預(yù)熱的并置于勵磁裝置上的模具中。在磁場固化30 min后關(guān)閉磁場，繼續(xù)在室溫固化2 h，然后再放入真空烘箱內(nèi)110℃固化12 h，最終制得各向異性聚氨酯基磁流變彈性體。

2.3 性能測試

采用了深圳新三思公司 CMT4304型電子萬能試驗機(jī)測試磁流變彈性體拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度；臺灣高鐵公司的 GT-7107-(M/L)老化試驗機(jī)測試其老化性能，香港弘埔技術(shù)有限公司CR-1300型的蠕變試驗機(jī)測試其蠕變性能。

磁流變彈性體磁致力學(xué)性能測試主要由傳統(tǒng)的 MTS測試裝置和勵磁裝置構(gòu)成。剪切狀態(tài)的測試裝置如圖1和圖2所示，壓縮狀態(tài)的測試裝置如圖3和圖4所示。

圖1 剪切狀態(tài)測試系統(tǒng)

圖2 剪切裝置勵磁裝置示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 磁流變彈性體的常規(guī)力學(xué)性能

3.1.1 拉伸性能試驗

本文根據(jù)GB/T528-1998[11]，采用深圳新三思公司 CMT4304型電子萬能試驗機(jī)對研制的磁流變彈性體進(jìn)行了系統(tǒng)的拉伸性能測試，分別比較了不同鐵粉填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)對磁流變彈性體拉伸性能的變化。試樣及裝置如圖5和圖6所示。

圖3 壓縮狀態(tài)測試系統(tǒng)

圖4 壓縮狀態(tài)勵磁裝置示意圖

圖5 測試試樣

圖6 拉伸性能測試裝置

拉伸性能測試結(jié)果分別如表1。

從表1中可以看出，隨著鐵粉填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，磁流變彈性體的拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率均在減小，但是均滿足隔振器用材料的基本要求。

表1 拉伸性能測試結(jié)果

3.1.2 撕裂性能試驗

參照 GB/T529-1999[12]，撕裂性能采用與拉伸性能測試相同的測試裝置，測試試樣如圖1中所示，測試結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，隨著鐵粉含量的增加，磁流變彈性體的撕裂強(qiáng)度不斷降低。滿足設(shè)計性能指標(biāo)的要求。

3.1.3 動態(tài)疲勞性能試驗

本文按照GB1688-86[13]硫化橡膠伸張疲勞的測定標(biāo)準(zhǔn)，對研制的代號為MR1、MR2和MR3的磁流變彈性體以及本體材料進(jìn)行了伸張疲勞的性能測試。測試中選擇頻率為250 r/min，應(yīng)變值取伸長50%，試驗的應(yīng)變次數(shù)為5萬次。

試驗結(jié)果表明，每種試樣在動態(tài)疲勞后，未發(fā)生斷裂，表面也無龜裂，無其他明顯變化，說明該磁流變彈性體有著良好的動態(tài)疲勞性能。

3.1.4 蠕變性能試驗

根據(jù) GB/T19242-2003[14]，采用香港弘埔技術(shù)有限公司CR-1300型的蠕變試驗機(jī)，參照硫化橡膠的蠕變測試方法對磁流變彈性體進(jìn)行了壓縮蠕變性能測試。試驗中選擇磁流變彈性體的本體材料、MR1、MR2和MR3試樣，以試樣變形20%時的力作為恒定作用力，以該點為時間的起點，設(shè)定工作溫度為50℃。測試試樣分別如圖7所示，圖8是試樣測試過程中的蠕變曲線。

表2 撕裂性能測試結(jié)果

圖7 蠕變性能測試試樣

采用標(biāo)準(zhǔn)中 10 min時磁流變彈性體的蠕變?yōu)榛鶞?zhǔn)，分別計算壓縮24 h后的蠕變指數(shù)，蠕變測試結(jié)果如表3所示。

圖8 MR3蠕變測試曲線

表3 磁流變彈性體的蠕變測試結(jié)果

從表3中可以看出，隨著鐵粉含量的增大，磁流變彈性體的蠕變指數(shù)增大。隨著鐵粉填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增大，磁流變彈性體的蠕變又略有減小，其中填充70%時的蠕變指數(shù)小于基體材料的蠕變指數(shù)。

3.1.5 老化性能

參照GB/T3512-2001[15]進(jìn)行了磁流變彈性體的熱空氣加速老化試驗，試驗條件為100℃×96h。試驗設(shè)備采用臺灣高鐵公司的 GT-7107-(M/L)老化試驗機(jī)進(jìn)行，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 熱空氣老化性能測試結(jié)果

從表4中可以看出隨著鐵粉含量的增加，拉伸強(qiáng)度變化率有所增大，而且隨著鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，伸長率變化率有所減小。但是從整體上來看，磁流變彈性體在老化后，伸長率有所提高。這是因為高溫老化時，該材料進(jìn)一步固化，使其性能顯著增加。因此，在制備該類聚氨酯彈性體時，必須優(yōu)化工藝條件，使其達(dá)到完全固化，以保證材料性能的穩(wěn)定性。

3.2 磁流變彈性體的性能比較

結(jié)合目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本文對目前研究的磁流變彈性體的常規(guī)力學(xué)性能、磁致力學(xué)性能與本文研制的磁流變彈性體進(jìn)行了比較。其中羰基鐵粉的體積含量約在20%－30%之間（在進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)換算時，天然橡膠密度取1.6 g/cm3，聚氨酯取1.2 g/cm3，硅橡膠密度取0.87 g/cm3）。

磁流變彈性體的性能對比如表5所示。其中表中空白表示查閱文獻(xiàn)中沒有標(biāo)明，或者沒有進(jìn)行研究。

表5 磁流變彈性體的力學(xué)性能比較

從表5可以看出，本文研制的聚氨酯基磁流變彈性體的拉伸性能和撕裂性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前中科大等研制的硅橡膠、天然橡膠基的磁流變彈性體，初步解決了力學(xué)性能與實用性之間的矛盾，達(dá)到了工程實際應(yīng)用的基本要求；在相對磁流變效應(yīng)方面，也基本達(dá)到了目前國內(nèi)外同行的研究水平。從表5中也可以看出，目前國內(nèi)外關(guān)注的主要在于磁流變效應(yīng)，而對于其力學(xué)性能的改善、工程應(yīng)用方面很少進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

4 結(jié)論

本文以探索研制實用型磁流變彈性體為目的，研究了制備條件和應(yīng)用環(huán)境對磁流變彈性體性能的影響，得出如下結(jié)論：

1）在制備磁流變彈性體的過程中，將預(yù)聚體和磁性顆?；旌虾?，容易產(chǎn)生氣泡。可以采用兩種辦法進(jìn)行解決：首先，對預(yù)聚物和磁性顆粒的混合物要充分的抽真空。其次，必須設(shè)計合理的加壓模具。

2）磁流變彈性體的預(yù)結(jié)構(gòu)化在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行。在磁流變彈性體澆入模具中時，必須控制基體的固化時間與固化溫度，確保磁性顆粒有充分的時間在磁場下進(jìn)行預(yù)結(jié)構(gòu)化排列。

3）本文研制的磁流變彈性體的常規(guī)力學(xué)性能基本滿足工程應(yīng)用的設(shè)計要求，但其疲勞特性、蠕變特性還有待進(jìn)一步的改進(jìn)與提高[3]。

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