解楠 吳澤偉 吳公勇

摘要：磁性彈性體作為一種新型的功能材料和智能材料，具有許多優(yōu)異的性能。近年來，磁性彈性體的研究引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。由于磁性彈性體是無機磁性組分與有機聚合物基體結(jié)合形成的復(fù)合材料，無機與有機材料的協(xié)同作用使磁性彈性體具有純無機或有機材料不能實現(xiàn)的新特性。

關(guān)鍵詞：磁性彈性體;原位法;智能材料;磁致模量

1、磁性彈性體的概念

磁彈性體是最新形式的磁流變材料。用聚合物代替磁流變液的液體基質(zhì)，一方面解決了磁流變液易沉降、穩(wěn)定性差、易磨損等缺點;另一方面，可磁化顆粒在外加磁場作用下被磁化，產(chǎn)生相互作用力。當(dāng)材料變形時，這些磁力的內(nèi)部形成的反向力矩會使磁性彈性體的模量、剛度和阻尼發(fā)生很大的變化，從而繼承了其磁流變效應(yīng)的優(yōu)點。它具有響應(yīng)快（MS量級）、可逆性好（去除磁場后，恢復(fù)初始狀態(tài)）以及材料的力學(xué)、磁學(xué)和電學(xué)性能在外磁場中連續(xù)可控等優(yōu)點。此外，磁性彈性體的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，性能穩(wěn)定，制備成本低，在航天、國防、交通等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

磁性彈性體按其結(jié)構(gòu)可分為各向同性和各向異性磁性彈性體。在材料固化過程中，施加磁場或不施加磁場均可得到兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的磁性彈性體。當(dāng)不施加磁場時，制備了各向同性磁性彈性體，磁性顆粒在基體中隨機分布。當(dāng)外加磁場一定時，制備出各向異性磁性彈性體。此時，基體中的磁性顆粒將沿磁場方向排列，形成鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu)。

2、磁性彈性體的制備

目前，關(guān)于磁性彈性體制備方法報道的很多，主要分為三類：

（1）機械共混法：機械共混是最常用、最成熟的工藝，常用于橡膠基體。該方法已通過工業(yè)設(shè)備（如密煉機和開煉機）實現(xiàn)，包括原料的內(nèi)部混合、混合和固化。首先將橡膠基體混合，然后將基體、磁粉和各種添加劑在球磨機上均勻混合，最后將混合料片放入模具中，在一定的溫度和壓力下凝固。但是，這種方法得到的材料中的磁性顆粒容易在基體中聚集，從而導(dǎo)致材料綜合性能的下降。

（2）原位法：原位法包括原位聚合法和原位熱分解法。原位聚合是將磁性粒子分散在聚合物基體的單體中，然后在磁性粒子表面聚合。2013年，伊朗的Mohammadi等人通過原位聚合在磁場下制備了聚氨酯基磁性彈性體。該方法改善了磁性粒子在基體中的分散性，從而提高了材料的綜合性能。原位分解法是將磁性粒子的前驅(qū)體分散在液體基質(zhì)中，利用輔助加熱等方法將前驅(qū)體分解，并將得到的磁性粒子與基體進(jìn)行復(fù)合。Bica等人采用原位分解法將羰基鐵與液態(tài)硅橡膠混合，微波加熱分解羰基鐵產(chǎn)生鐵原子，與硅橡膠結(jié)合形成穩(wěn)定的復(fù)合材料，使磁性彈性體具有良好的力學(xué)性能。該方法可以使磁性顆粒與基體的結(jié)合更加穩(wěn)定，提高材料的力學(xué)性能，且固化前溫度更高，有利于磁性顆粒在磁場中的排列。然而，這種方法不容易控制磁性顆粒的形貌和粒徑。

（3）其它方法：除了機械共混法和原位法外，還有一些其他報道的方法，如液體共混法和真空輔助樹脂傳遞模塑法。液體共混法是將液體基質(zhì)或基質(zhì)溶解于特定的有機溶劑中，與磁性顆?；旌希缓蠹尤牍袒瘎┻M(jìn)行固化。但這種方法存在的問題是難以使有機溶劑完全揮發(fā)，使部分有機溶劑殘留在混合物中，影響材料的力學(xué)性能和磁性。此外，這種有機溶劑通常是高度有毒的，這對人體和周圍環(huán)境是極其有害的。真空輔助樹脂傳遞模塑通常用于制備質(zhì)量要求嚴(yán)格、批量小、尺寸大的材料。伍茲采用真空輔助樹脂傳遞模塑法制備硅橡膠基磁性彈性體。但這種方法不易滲透到磁性顆粒中，不能制備出高填充量的磁性彈性體。

3、磁性彈性體的應(yīng)用

磁性彈性體是一種新型的功能材料和智能材料，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，其應(yīng)用主要集中在磁彈性模量的性質(zhì)上。利用外加磁場不斷改變材料的力學(xué)性能，實現(xiàn)器件的半主動控制。在可調(diào)諧減振器、隔振器、傳感器和噪聲控制系統(tǒng)等領(lǐng)域都有報道。

1997年，福特公司成功研制出一種磁性彈性體襯套，并申請了專利。Ginder等人設(shè)計了具有變剛度控制的軸向和徑向磁性彈性體。2004年Farshad等人在噪聲控制儀器中使用了磁性彈性體材料。2007年，美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)（university of Nevada）的研究人員設(shè)計了一種新的隔振器，它同時使用了磁性彈性體和磁流變液。2008年，瑞典的Blom等人也設(shè)計了一種基于磁性彈性體的隔振器，可以顯著提高隔振器的能量控制效果。同年，Hu等人提出了一種同時含有磁性彈性體和磁流變液的復(fù)合阻尼器，用于直升機的減震。磁性彈性體也用于許多軍事應(yīng)用。AMAD公司為海軍潛艇水下武器發(fā)射系統(tǒng)研制了一種磁性彈性體共減振器。減振器的剛度在1ms內(nèi)可提高60%左右，對外部沖擊載荷具有良好的沖擊隔離效果，可作為具有安全保險功能的被動保護(hù)裝置。

4、磁性彈性體的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

4.1、發(fā)展現(xiàn)狀

磁性彈性體的力學(xué)性能與磁性顆粒的種類和含量、基體材料體系、磁性顆粒表面活性劑及制備工藝有關(guān)。目前，磁性彈性體性能優(yōu)化方法的研究主要集中在磁性粒子的含量、粒徑、增塑劑等添加劑以及結(jié)構(gòu)工藝等方面。，但對磁性粒子的添加方法和制備工藝的改進(jìn)還沒有系統(tǒng)的研究。

4.2、存在問題

磁性彈性體以其優(yōu)異的性能在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，磁性功能材料一直存在一些矛盾的問題，如材料性能的不穩(wěn)定性、同時提高力學(xué)性能和磁性的難度等。與材料的工程應(yīng)用有很大的差距，極大地限制了材料的應(yīng)用。其原因在于磁性粒子在彈性體中分散性差，磁性粒子在基體中團(tuán)聚嚴(yán)重。解決上述瓶頸問題是磁性彈性體工程應(yīng)用的前提。因此，提高磁性粒子在基體中的分散性和優(yōu)化材料的性能是唯一的途徑，而改善材料制備工藝的唯一途徑就是優(yōu)化材料的性能。