高性能磁流变减震胶泥研制及力学性能研究

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磁流变材料通常主要由磁性颗粒、基体以及添加剂构成。磁流变材料发展至今已形成种类丰富的材料体系,国内外的学者对磁流变材料进行了大量研究,也取得了许多成果。磁流变液(MRF)是最早发展起来的磁流变材料,在之后的研究过程中磁流变液逐渐暴露出本身的易沉降、稳定性差和颗粒易磨损氧化等问题。因此陆续有国内外学者通过选用不同类型和不同方式处理的磁性颗粒、加入各种添加剂等去改善磁流变液的性能。虽然取得了一定效果,但是不能完全解决磁流变液暴露出的众多问题。为了解决磁流变液的暴露出的众多问题,研究人员采用高分子聚合物(如橡胶)代替磁流变液所用的油基或水基的液态基体,将微米级软磁性颗粒散布在其中进行固化,因此获得磁流变弹性体(MRE)。由于磁流变弹性体所用基体为固体,使得制备的磁流变弹性体的磁流变效应较小,导致其磁致可控范围较小,从而限制磁流变弹性体在实际中的应用。磁流变胶(MRG)兼有磁流变液和磁流变弹性体两者的优点,其特性在二者之间,解决了磁流变液的沉降问题,同时在外部磁场作用下具有较高的剪切屈服应力,可以实现的磁流变效应和磁致可控范围比磁流变弹性体更高且更宽,因此其能够在某些领域得到广泛的应用,具有广阔的发展前景。本文将采用科学系统的试验思路,通过实际试验与理论分析相结合、宏观指标测试与微观机理研究并举的研究方法,以研制出一种高性能磁流变减震胶泥为目的,在充分解决沉降问题的基础上,进一步提高磁流变减震胶泥的剪切屈服应力和可调性,并系统解释磁流变减震胶泥微观变形机理,进行相关理论推导,对比试验测得的数据与理论推导的结果,验证力学模型的有效性和准确性。因此本文工作具体包括以下几个方面:(1)根据磁流变减震胶泥的特性,选择合适的磁性颗粒、不同粘度的基体以及不同种类的表面活性剂,再结合磁流变减震胶泥科学系统的研制思路,制备了A、B、C三个系列的磁流变减震胶泥样品。(2)以沉降稳定性、零场粘度、剪切屈服应力、可调性等指标,来研究基体粘度、表面活性剂种类及组合以及磁性颗粒体积分数对于磁流变减震胶泥性能的影响,并应用相关理论解释内在机理,以此层层筛选确定性能最优的配方。(3)基于平面电流环模型和耦合场理论,提出了基于平面电流环模型的磁流变减震胶泥微观力学模型,建立宏观力学指标与微观颗粒结构变化之间的关系,并用模型的理论值与试验值进行对比,验证模型的有效性和准确性。本文的创新之处在于:(1)确立了磁流变减震胶泥的研制思路,研制了不同粘度基体、不同表面活性剂种类及组合的处理以及不同磁性颗粒体积分数的磁流变减震胶泥样品,并以沉降稳定性、零场粘度、剪切屈服应力、可调性等指标筛选出性能最优的配方;且结合现有磁流变材料可调性指标的优缺点,重新定义了更加合理的可调性指标;(2)以平面电流环模型代替以往的磁偶极子模型论进行理论推导,提出了基于平面电流环模型的磁流变减震胶泥微观力学模型,并用模型的理论值与试验值进行对比,验证模型的有效性与准确性。
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