基于链化分析的磁流变弹性体剪切模量模型

磁流变弹性体是一种磁流变材料,由高分子橡胶基体掺杂微米级的铁磁性颗粒固化而成.基于磁性物理学理论,从磁流变弹性体在磁场作用下铁磁性固体颗粒极化成链的微观结构出发,探讨磁流变流体中固体颗粒间的相互作用机理,分析研究颗粒间的相互作用力,建立了一种微观力学模型,可用于分析磁流变流体在外加磁场作用下剪切模量及其影响因素的作用效果,揭示磁流变效应的微结构机理,为磁流变弹性体的性能优化、工程开发及应用提供理论依据.     

基于Digimat中RVE模型的磁流变弹性体的磁致压缩力学性能的数值模拟

磁流变弹性体的宏观压缩力学性能受其组分材料的体积比、形态和外加磁场等因素的影响。从3方面系统的研究了磁流变弹性体在磁场和压缩条件下的静态磁致力学性能。首先运用Digimat软件中的均匀化方法和RVE研究零磁场条件下的磁流变弹性体力学性能。然后研究了磁场条件下各向同性和各向异性磁流变弹性的磁致力学性能。最后利用实验方法研究磁流变弹性体的力学性能。得到了磁场的施加使得各向同性和颗粒成链磁流变弹性体的压缩模量增大,同时颗粒成链比各向同性磁流变弹性体的磁流变效应更大的结论。     

磁流变弹性体的隔振缓冲器磁路分析

磁流变弹性体是一种新型的功能材料,由高分子橡胶基体掺杂微米级的铁磁性颗粒固化而成,其剪切模量可由外加磁场控制.利用磁流变弹性体开发的隔振器具有无需密封、性能稳定、响应迅速等特点,在小振幅隔振系统中极具应用前景.探讨了隔振缓冲器设计中的相关问题,研究了基于磁流变弹性体的隔振器的磁路计算方法,利用ANSYS软件对其磁路结构进行了分析验证.仿真结果的分析有助于进一步优化磁路结构,使磁场效能得到最大的发挥.     

γ射线辐照法制备硅橡胶基各向同性磁流变弹性体

磁流变弹性体是一种新型的智能材料,其力学性能可由磁场控制,因而在自适应减震器、阻尼可调部件和汽车悬浮刷等方面具有广泛的应用前景.本文选择羰基铁作为磁性粒子,在无任何外加磁场下,采用γ射线辐照法固化硅橡胶基体,制备各向同性的磁流变弹性体.作者详细研究了制备过程中可能影响磁流变效应及力学性能的各种因素,特别是固化时间以及不同添加剂,包括增塑剂、增强剂的种类及其含量等的影响,以获得硅橡胶弹性体磁流变效应和力学性能的优化,并提出了各向同性的磁流变弹性体的作用机理.     

一种刚度、阻尼可控的新智能材料——磁流变弹性体

磁流变弹性体(Magnetorheological elastomer)是磁流变材料中新的一员,是由天然或人造橡胶和微米级的可磁化颗粒在外加磁场下固化而成.由于颗粒在橡胶中形成了近似链状结构,因此其流变特性(如刚度、阻尼)可由外加磁场来控制.综述了近年来国内外磁流变弹性体的研究情况,分析了其理论模型和一些力学性能测试方法,并展望了其应用前景.     

磁流变弹性体的导电机理分析

磁流变弹性体的制备过程中,其内部导磁颗粒沿外加磁场方向聚集成链状。颗粒链能作为导电通道使得磁流变弹性体导电。根据磁流变弹性体的颗粒结构特点,在其内部选取导电单元作为导电模型。分析了导电单元的导电特性,得到磁流变弹性体的电导率表达式。制备了磁流变弹性体样品并测试其导电性能,验证了理论表达式的正确性。结果表明,流过磁流变弹性体的电流由传导电流和隧道电流组成,其电导率是与电压相关的非线性函数。     

碳黑对磁敏高弹体力学性能的影响

磁敏高弹体也称磁流变弹性体，是一种新型的功能材料和智能材料，其力学性能可以由外加磁场来控制。制备了不同碳黑含量的磁流变弹性体，并实验研究了其磁流变效应和热稳定性，得出了碳黑对磁流变弹性体力学性能的影响。实验结果表明，制备磁流变弹性体时，向基体中添加适量的碳黑，能够增强材料的磁流变效应、降低材料的损耗因子、提高材料的热稳定性。     

磁场增强各向异性结构电流变弹性体的制备

通过溶胶-凝胶法在水热法合成的Fe₃O₄表面包覆了一层TiO₂，得到Fe₃O₄@TiO₂核壳颗粒，采用XRD、SEM、TEM对颗粒结构和形貌进行了表征。随后，将该颗粒填充于硅橡胶基体中，利用颗粒的磁特性使其在磁场下固化，制备了颗粒体积分数为14vol%的弹性体。用旋转流变仪测试了弹性体在不同电场强度下的电致变模量特性，与填充TiO₂颗粒并在电场下固化的电流变弹性体进行对比，相对电流变效应相较于后者提升了71.9%。通过光学显微镜观察弹性体截面，发现磁场下固化的弹性体有更好的颗粒取向。由此，采用磁电双响应特性的颗粒作为分散相，在外加磁场下使基体固化，可获得具有更显著颗粒链结构的弹性体材料，克服了现有电流变弹性体在外电场下固化介电颗粒预排布结构不明显的问题，提高了所制备弹性体的电流变效应，同时消除了固化时外加高压电源的安全隐患，为高性能电流变弹性体的开发制备提供了新的思路。     

磁流变弹性体力磁耦合本构关系的研究进展

磁流变弹性体是一类力学特性能够被外磁场可逆调控的新型智能复合材料。将微米尺寸的磁性颗粒填充到橡胶类聚合物基体中制备的磁弹体材料,其模量、阻尼和形变可以由外加磁场快速、连续、可逆改变。目前,基于动力学实验的宏观力学元素组合模型分析方法、微观偶极子力学分析和宏观连续介质力学描述成为分析磁感应多场耦合复合材料本构关系的主要方法。同时,数值模拟也成为研究磁流变材料的颗粒聚集结构演化和磁致伸缩效应的有效手段。本文侧重于介绍磁弹体智能材料力磁耦合的基本理论和研究方法,总结相关研究工作并探讨研究趋势,为磁敏类多功能材料的应用研究提供理论基础。     

磁流变弹性体基于卡方分布的磁偶极子模型

为了精确描述磁流变弹性体的磁致效应,从而使磁流变弹性体应用于工程实际,基于磁偶极子理论,结合铁磁颗粒在磁流变弹性体中的分布特点,引入分布参量n,假设相邻铁磁颗粒的间距满足卡方分布,提出基于卡方分布的磁偶极子模型,推导了磁致剪切模量的表达式。该模型弥补了"均匀分布"假设的不足且形式简单,适于工程应用,同时可以精确反映出各因素对磁流变弹性体磁致效应的影响规律,其中分布参量和外加磁场强度是影响磁致效应的关键因素。     

硅橡胶基磁流变弹性体的研制

磁流变弹性体是一种新型的智能材料,它的力学性能可以受磁场控制,在需要变刚度的器件等方面有着广泛的应用前景.本文总结了一些制备高性能磁流变弹性体的基本方法,尝试采用不同的组份制备了以硅橡胶为基体的高性能磁流变弹性体.并使用改进的动态机械分析仪来测试分析所制样品的磁致剪切储能模量和损耗因子等性能.结果表明,所制备的磁流变弹性体在600mT磁感应强度下的剪切储能模量相对变化可达到501%.     

Synthesis and Characterization of Highly Deformable Multilayer Magnetoactive Elastomers with Magnetically Soft Particles

Herein, a new highly deformable magnetoactive elastomeric material is developed. The elastomer is composed of a silicon-based matrix and soft-magnetic Fe microparticles. It presents a nonuniform multilayer internal structure, with highest particle concentration in one-half of the thickness. These elastomers are produced in sheet and tubular formats, wherein multilayer distribution of the components is achieved by the gravitational and centrifugal force respectively. The study of the rheological properties shows a high change in the dynamic modulus of the elastomer in the presence of magnetic field, which is representative of a high magnetorheological effect. Regarding the deformability of the elastomer, to monitor the displacements and curvatures generated under the action of a magnetic field, an optical, noninvasive, and magnetic field-insensitive system based on 3D stereoscopic technique is employed. Using this method, the digitization of the upper curved surface of the elastomer as a function of the applied magnetic field is obtained. From the digitized surfaces, the deformation of the material in response to a magnetic field is calculated, reaching deformations up to 23.7% at 207 kA m⁻¹. Moreover, the deformation level is linearly variable and controllable by the strength of the applied magnetic field, allowing dynamic deformation of the material.     

磁流变弹性体隔振缓冲器设计及实验研究

磁流变弹性体是一种剪切模量可由外加磁场控制的智能材料,在半主动控制、着陆缓冲等方面具有广阔的应用前景。本文在此基础上探讨了基于磁流变弹性体的隔振器的磁路计算方法和结构设计准则,并设计出隔振器原型样机,通过改变控制电流和正弦波激振频率,考察隔振器的振动控制响应特性。实验结果表明在一定的频率范围内,该隔振器具有良好的隔振效果。     

磁流变弹性体中铁磁颗粒尺寸大小随机分布下的磁致剪切模量的分析

考虑到磁流变弹性体内铁磁颗粒尺寸大小存在随机分布的现象,对磁流变弹性体的偶极子进行了修正,分析了不同尺寸铁磁颗粒混合的磁流变弹性体磁致剪切模量。该铁磁颗粒尺寸大小随机分布的修正模型不仅能够在单一粒径时退化为传统的偶极子模型,还可以对用不同尺寸的铁磁颗粒混合制备的磁流变弹性体磁致剪切模量的不均性予以预测,并对磁致剪切模量随夹杂铁磁颗粒的体积分数呈非线性变化予以了预测,相关结果与实验吻合较好。     

基于磁流变弹性体的复杂曲面构件柔性成形关键技术

磁流变弹性体作为一种可以有效感应磁场作用、弹性模量可控的先进智能材料,在航空航天制造工程领域具有重要的应用前景。首先分析了基于磁流变成形介质的复杂曲面板材及管材构件的基本成形机理。另外阐述了磁流变弹性体的研究进展,包括其制备工艺、性能以及柔性介质压力成形工艺。最后,基于磁流变弹性体的复杂曲面构件精密成形关键技术,从弹性体制备、磁场搭建及加载路径控制、磁固耦合条件的工艺仿真以及成形缺陷调控等方面分析了该技术的可行性。     

基于链化模型的磁流变弹性体磁致压缩模量分析

基于链化模型的磁流变弹性体,在受到压缩形变时,基体中的颗粒链会弯曲变形,变形后相邻颗粒间的相互作用力沿压缩方向和垂直于压缩方向的分量均不同。分析了压缩模式下链弯曲对磁流变弹性体磁致压缩模量的影响。随着磁场强度和压缩应变的增大,磁流变弹性体的磁致压缩模量在压缩方向的磁致力分量和垂直于压缩方向的磁致回复力的共同作用下逐渐变大。     

电流变弹性体夹层结构梁的动力学仿真研究

对电流变弹性体夹层悬臂梁在不同电场控制下的振动响应特性和可控性进行研究。将电流变弹性体等效为一种具有电控力学性能的粘弹性阻尼材料,基于Hamilton原理建立了三层电流变弹性体夹层梁的有限元动力学方程,仿真分析了其在不同外加电场控制下的振动特性。分析结果显示,随着外加电场强度的增加,电流变弹性体夹层梁的固有频率不断增大,振动幅值却不断减小。表明电流变弹性体夹层梁具有与电流变液夹层梁相似的可控振动响应特性,能在外加电场作用下实现对结构振动的实时控制。     

Energy conversion in magneto-rheological elastomers

Abstract

Magneto-rheological (MR) elastomers contain micro-/nano-sized ferromagnetic particles dispersed in a soft elastomer matrix, and their rheological properties (storage and loss moduli) exhibit a significant dependence on the application of a magnetic field (namely MR effect). Conversely, it is reported in this work that this multiphysics coupling is associated with an inverse effect (i.e. the dependence of the magnetic properties on mechanical strain), denoted as the pseudo-Villari effect. MR elastomers based on soft and hard silicone rubber matrices and carbonyl iron particles were fabricated and characterized. The pseudo-Villari effect was experimentally quantified: a shear strain of 50 % induces magnetic induction field variations up to 10 mT on anisotropic MR elastomer samples, when placed in a 0.2 T applied field, which might theoretically lead to potential energy conversion density in the mJ cm^-3 order of magnitude. In case of anisotropic MR elastomers, the absolute variation of stiffness as a function of applied magnetic field is rather independent of matrix properties. Similarly, the pseudo-Villari effect is found to be independent to the stiffness, thus broadening the adaptability of the materials to sensing and energy harvesting target applications. The potential of the pseudo-Villari effect for energy harvesting applications is finally briefly discussed.     

磁流变弹性体的动态压缩性能

制备了聚氨酯基磁流变弹性体,并构建了一种压缩性能的实验装置,对磁流变弹性体的动态压缩性能进行了系统的研究.采用激振的方法,建立了磁流变弹性体的动态力学性能的理论模型,提出了磁流变效应的计算方法.分别研究了预压缩、激励振幅、激励频率、外加磁场对磁流变效应的影响.结果表明,磁流变弹性体的磁流变效应随着外加磁场、激励振幅的增...     

Micromechanical analysis of an elastomer filled with particles organized in chain-like structure

Organization of iron filler particles inside an elastomer is obtained by curing the polymer in presence of a magnetic field. We have studied the effect of structuring the particles in chains on the quasistatic behavior in elongation in the absence of magnetic field. The effect of a coupling molecule between the surface of the particles and the elastomer is also analyzed. It is shown that the modulus of the first loading curve is strongly increased by structuring the particles, and also by the use of a coupling agent. Using an effective medium approach we well reproduce the experimental behavior of the elastic modulus and we deduce that a thick layer of elastomer is still present between the particles. A finite element calculation allows to distinguish between two modes of rupture at high strains, depending on the strength of the coupling between the particles and the matrix.