葛現(xiàn)偉，曾建斌，楊 威，劉晉彤

（廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024）

磁流變彈性體（magneto-rheological elastomers，MREs）是一種新型的磁敏材料，因其特性可以隨著外部磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變而改變，且響應(yīng)速度快、可控可逆［1］，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，對(duì)其特性的研究也逐漸成為當(dāng)今社會(huì)的熱點(diǎn)。MREs一般由質(zhì)地較軟的基底和磁性顆粒組成。在過去十幾年里，研究者在制備MREs材料的過程中，通過改變磁性顆粒和基體的材料、改變磁性顆粒的尺寸和體積百分比來制備不同的MREs材料［2-8］。制備過程中，根據(jù)有無外加磁場(chǎng)，MREs可以分為各向同性和各向異性兩大類［9］。各向同性MREs 內(nèi)部的磁性顆粒均勻地分布在軟基底中；各向異性MREs 內(nèi)部磁性顆粒呈現(xiàn)聚鏈結(jié)構(gòu)，且可根據(jù)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁性顆粒的種類、大小和含量等發(fā)生改變。

影響MREs材料性能的主要因素包括基體材料、分散劑（鐵磁性顆粒）的體積比、分散劑的特性（顆粒大小、組成、形態(tài)等），以及外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度［10］。其中，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)各向異性MREs特性的影響更加顯著［11-13］。Boczkowska 等［14］研究了磁性顆粒含量與MREs空間聚鏈結(jié)構(gòu)的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁性顆粒含量越大的MREs 內(nèi)部形成的聚鏈結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。Bica 等［15］研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度與MREs 儲(chǔ)能模量之間的關(guān)系，結(jié)果表明，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增大材料的存儲(chǔ)模量，磁性顆粒含量太高會(huì)導(dǎo)致MREs基底的斷裂及連續(xù)性差。Coquelle 等［16］研究了磁性顆粒對(duì)MREs 空間聚鏈結(jié)構(gòu)影響，將MREs 放置于有磁場(chǎng)的環(huán)境下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了磁性顆粒聚鏈結(jié)構(gòu)對(duì)MREs準(zhǔn)靜態(tài)特性的影響，結(jié)果表明，內(nèi)部的聚鏈結(jié)構(gòu)增加了MREs 的彈性模量。目前，MREs 的研究成果多為影響因素與MREs 特性相關(guān)性高低［17-19］，而對(duì)影響因素與每個(gè)特性變化趨勢(shì)和特性變化量之間的關(guān)系鮮有報(bào)道。為此，本文制備3個(gè)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)磁性顆粒各向異性的樣品，測(cè)量不同外加磁場(chǎng)強(qiáng)度下樣品的剪切模量和韌性，分析外加磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)MREs 特性變化趨勢(shì)和變化量的影響，以期得到外加磁場(chǎng)強(qiáng)度與MREs 剪切模量、韌性變化趨勢(shì)和變化量之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中選用的材料有：硅橡膠，選用卡夫特K-705型號(hào)；填充磁性顆粒為羰基鐵粉，購置于廣州復(fù)梵科技有限公司，型號(hào)為中冶鑫盾合金的高純GR超細(xì)鐵粉，其平均粒徑為8 μm；二甲基硅油作為磁性顆粒與硅橡膠接觸的潤滑劑和固化劑，選用道康寧公司生產(chǎn)的粘度為500CS的PMX-200進(jìn)口二甲基硅油。

1.2 樣品制備

分別按3 種不同配比①磁流變彈性體是一種復(fù)合磁敏材料，樣品的剪切模量和韌性與其配比和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，合適的配比和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度可以使樣品的特性達(dá)到最優(yōu)。本文通過改變磁流變彈性體配比進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，并通過外加磁場(chǎng)測(cè)量其特性，根據(jù)其特性的優(yōu)劣，最終選取樣品的羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、20%和30%。，稱取一定質(zhì)量的硅橡膠、硅油和羰基鐵粉加入燒杯中。各組成成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。隨后對(duì)混合物進(jìn)行充分?jǐn)嚢柚粮鞒煞只旌暇鶆颍缓髮嚢杈鶆虻牟牧系谷肽＞卟⒎胚M(jìn)真空鍋中進(jìn)行處理，排除混合物中的空氣。5min后取出裝著混合物的模具，并將其置于外加磁場(chǎng)中，使混合物中的羰基鐵粉形成聚鏈結(jié)構(gòu)。

表1 樣品組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Composition and content of the samples 單位：%

1.3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

MRE 的剪切模量和韌性是根據(jù)材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線來計(jì)算的。材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線測(cè)量所用的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和實(shí)物圖如圖1（a）和圖1（b）所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental devices

樣品的應(yīng)力由裝置中拉壓力傳感器（JLB-M2）測(cè)量得到，位移量由位移傳感器（LVDT、0～10 mm、0.1%）測(cè)量得到。拉壓力傳感器和位移傳感器的輸出信號(hào)通過示波器采集得到。

裝置磁場(chǎng)激勵(lì)部分主要由2對(duì)可移動(dòng)鐵心和勵(lì)磁線圈組成，調(diào)節(jié)可移動(dòng)鐵心之間的距離和勵(lì)磁線圈中的電流可以激勵(lì)出實(shí)驗(yàn)所需要的磁場(chǎng)。

測(cè)試時(shí)，對(duì)于3種MREs樣品（羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%和30%）分別施加3種不同磁場(chǎng)強(qiáng)度（100 mT、150 mT和200 mT）的外加磁場(chǎng)，并通過實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量樣品的剪切模量和韌性。為了減輕形變歷史和應(yīng)力軟化對(duì)測(cè)量特性的影響，MREs樣品進(jìn)行了預(yù)處理，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值進(jìn)行分析。同時(shí)，為了排除歷史形變對(duì)MREs的影響，MREs樣品在每次測(cè)量之間提供15 min的恢復(fù)期。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

MREs 特性變化與磁性顆粒之間的相互作用有關(guān)。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度變化50 mT 時(shí)，樣品剪切模量的差值和韌性的差值，即為特性的變化量。MREs的應(yīng)力—應(yīng)變曲線是材料特性的最基本的體現(xiàn)，能夠?qū)崟r(shí)展現(xiàn)出MREs的剪切模量和韌性。圖2為3種樣品在100 mT、150 mT和200 mT外部磁場(chǎng)強(qiáng)度下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由圖2 可知，MREs 隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變而影響其特性，具體表現(xiàn)為圖像斜率和面積的改變。圖2 中，3 種MREs 樣品的斜率都會(huì)隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，面積卻會(huì)隨著外加磁場(chǎng)的增大而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。

圖2 不同羰基鐵粉下MREs應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.2 MREs stress-strain under different carbonyl iron powders

剪切模量表征MREs抵抗切應(yīng)變的能力強(qiáng)弱，體現(xiàn)其剛性的大小，在實(shí)際測(cè)量中用磁滯回線的斜率進(jìn)行量化，剪切模量越大，剛性越大。韌性大小表示MREs在塑性變形過程中吸收能量的能力，體現(xiàn)其發(fā)生脆性斷裂可能性大小，在實(shí)際測(cè)量中用應(yīng)力—應(yīng)變曲線的面積進(jìn)行量化，韌性越大，發(fā)生斷裂的可能性就越小。3種MREs樣品剪切模量曲線和韌性曲線如圖3所示。

圖3 MREs特性曲線圖Fig.3 MREs characteristic curve

由圖3（a）可知，隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，3 種樣品的剪切模量增大，呈正相關(guān)。羰基鐵粉質(zhì)量為10%的樣品，在外加磁場(chǎng)強(qiáng)度由100 mT 增加到150 mT 時(shí)，剪切模量增加15%，磁場(chǎng)強(qiáng)度由150 mT 增加到200 mT 時(shí)，剪切模量增加15%；羰基鐵粉質(zhì)量為20%的樣品在外加磁場(chǎng)強(qiáng)度由100 mT增加到150 mT 時(shí)，剪切模量增加15%，磁場(chǎng)強(qiáng)度由150 mT 增加到200 mT 時(shí)，剪切模量增加21%；羰基鐵粉質(zhì)量為30%的樣品在外加磁場(chǎng)強(qiáng)度由100 mT 增加到150 mT 時(shí)，剪切模量增加27%，磁場(chǎng)強(qiáng)度由150 mT 增加到200 mT 時(shí)，剪切模量增加27%。

由圖3（b）可知，隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，3種磁流變彈性體的韌性減小，呈負(fù)相關(guān)；羰基鐵粉質(zhì)量為10%的樣品在外加磁場(chǎng)強(qiáng)度由100 mT增加到150 mT時(shí)，韌性減小13%，磁場(chǎng)強(qiáng)度由150 mT增加到200 mT時(shí)，韌性減少62%；羰基鐵粉質(zhì)量為20%的樣品在外加磁場(chǎng)強(qiáng)度由100 mT增加到150 mT時(shí)，韌性減小3%，磁場(chǎng)強(qiáng)度由150 mT 增加到200 mT 時(shí)，韌性減少8%；羰基鐵粉質(zhì)量為30%的樣品在外加磁場(chǎng)強(qiáng)度由100 mT 增加到150 mT 時(shí)，韌性減小6%，磁場(chǎng)強(qiáng)度由150 mT 增加到200 mT 時(shí)，韌性減少16%。

通過對(duì)比圖3（a）、（b）可知，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度由100 mT 增加到200 mT 時(shí)，樣品剪切模量的2 次變化量基本保持不變，但是韌性2次變化量差異較大，最大可達(dá)49%。

3 結(jié)論

本文按照磁流變彈性體組成成分和含量的不同制備3種樣品，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品分別在外加磁場(chǎng)強(qiáng)度100、150、200 mT下的剪切模量和韌性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，MREs剪切模量會(huì)增大，韌性卻會(huì)減小，宏觀表現(xiàn)為MREs更有剛性，更容易被拉斷，這與羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)無關(guān)；對(duì)于不同羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MREs，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化量對(duì)剪切模量的變化量影響較小，對(duì)韌性的變化量影響較大，當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度變化50 mT時(shí)，韌性變化量差值最大可以達(dá)到49%。本文可為MREs 在工程上的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)，但本文尚未分析外加磁場(chǎng)作用下MREs 內(nèi)部聚鏈結(jié)構(gòu)與宏觀特性之間的關(guān)系，后續(xù)研究可以對(duì)MREs的微觀機(jī)理進(jìn)行深入分析。