磁流变弹性体剪切式动态力学性能测试

磁流变弹性体（MRE）是磁流变材料中新的一员,研究磁流变弹性体材料,其动态力学性能的探究是研究的重要组成部分,建立一套磁流变弹性体动态力学性能测试系统是需亟待解决的问题。设计了一种磁流变弹性体剪切式动态力学性能测试装置,由电磁振动台提供稳定的正弦激励,通过可调间距的钕铁硼永磁体产生可变的磁场,利用安装在测试系统中的力与加速度传感器,获取磁流变弹性体在往复剪切运动中的剪切力与加速度信号,其中加速度信号经两次数值积分获得位移数据,通过力与位移数据建立磁流变弹性体在动态剪切模式下的应力-应变关系,结合粘弹性材料理论模型,得到磁流变弹性体在剪切模式下的磁控动态力学性能参数。为研制高性能的磁流变弹性体提供了评价体系。     

磁流变弹性体的制备及力学性能研究

研究和设计了不同的制备磁路用于制备磁流变弹性体材料,结果表明使用线圈加磁装置可产生可调的磁场,而使用永磁铁加磁时,有导磁装置产生的磁场明显大于直接用永磁铁加磁,并且磁力线几乎无扩散,很好地运用了磁能量.并根据单自由度原理搭建了磁流变弹性体的力学性能测试平台,通过理论分析和推导,得到了磁流变弹性体在不同磁感应强度下的刚度与损耗因子等力学性能参数的计算方法,为高性能磁流变弹性体的制备及准确的力学性能测试提供了技术参考.     

稠化剂含量对磁流变脂流变行为的影响

稠化剂含量是决定磁流变脂骨架结构强度的重要因素,对磁流变脂的实际应用具有较大的影响。实验制备了羰基铁粉质量百分数含量为30%、不同稠化剂含量的5种磁流变脂,考察了不同稠化剂含量对磁流变脂屈服应力、储能模量、损耗模量及磁流变效应的影响。结果表明,磁流变脂表现出剪切稀化的假塑性流体特征,不同稠化剂含量磁流变脂的屈服应力与磁场强度呈现出幂律关系,在适宜稠化剂含量时,幂律指数达到最佳值。提出评价磁流变脂的磁流变效应、交联结构体系强度和稳定性的参数指标,通过调节稠化剂的含量可改变非磁性骨架结构的密度,优化磁性部分对磁流变脂结构强度的贡献,改善磁流变脂的磁流变效应,拓宽磁流变脂的储能模量在磁场下的可控范围。     

叠层型磁流变弹性体智能隔震支座及其磁场有限元分析

磁流变弹性体（magnetorheological elastomers,简称MRE）是由天然橡胶或者硅橡胶基体和磁性颗粒组成的新型智能材料,其剪切性能和储能模量可以随着外加磁场的改变而变化。本文创新地提出利用磁流变弹性体材料代替普通橡胶材料,利用其磁流变效应设计制作叠层型智能隔震支座的思路,并且对自行设计的智能隔震支座进行了磁场有限元分析。建立了单线圈磁能输入和双线圈磁能输入结构的二维有限元模型,分别改变支座上下连接板厚度、线圈匝数、电流的大小,分析磁流变弹性体处磁感应强度的变化情况,从而得到电流大小以及支座的结构尺寸与磁感应强度之间的关系。分析结果表明：智能隔震支座磁流变弹性体处的磁感应强度最大可以达到1.2T,该调节范围可以充分发挥磁流变弹性体的流变效应,说明本文提出的新思路是完全可行的。     

硅橡胶基磁流变弹性体制备及动态剪切性能研究

磁流变弹性体是一种新型的智能复合材料，其动态力学性能受磁场控制，可以应用于变刚度或避免共振的智能器件。在原有制备磁流变弹性体的基础上尝试采用不同的组份配比制备了以双组份室温硫化硅橡胶为基体的高性能磁流变弹性体。在0-700mT磁感应强度范围内，使用动态信号测试分析仪来测试分析所制样品的磁致动态频响函数。结果表明，在70...     

硅橡胶基磁流变弹性体制备及动态剪切性能研究

磁流变弹性体是一种新型的智能复合材料,其动态力学性能受磁场控制,可以应用于变刚度或避免共振的智能器件。在原有制备磁流变弹性体的基础上尝试采用不同的组份配比制备了以双组份室温硫化硅橡胶为基体的高性能磁流变弹性体。在0～700mT磁感应强度范围内,使用动态信号测试分析仪来测试分析所制样品的磁致动态频响函数。结果表明,在700mT磁感应强度下及羰基铁粉质量分数为75%时,所制备的磁流变弹性体的共振频率相对变化率可达到30%,具有较好的频率可控特性,同时,其动态剪切模量最大相对变化率可以达到67%,达到了磁场控制剪切模量的目的。     

蒙脱土对硅橡胶基磁流变弹性体性能的影响

考察蒙脱土对硅橡胶基磁流变弹性的动态力学特性和磁流变性能的影响，通过调节体系中蒙脱土的含量优化硅橡胶磁流变弹性体的综合性能。研究结果表明，当弹性体中蒙脱土的含量在4．6％时，硅橡胶基磁流变弹性体／蒙脱土复合材料的模量比纯弹性体的模量提高了近345％，硅橡胶磁流变弹性体的磁致模量达到1.76MPa，磁流变效应为63．7％。     

增塑剂对磁流变弹性体磁流变效应的影响

磁流变弹性体是磁流变材料的一个重要分支,它兼有磁流变材料和弹性体的优点,同时克服了磁流变液沉降、稳定性差等缺点.但目前研制出的磁流变弹性体存在磁流变效应和机械性能上的矛盾,难以在需要高强度的变刚度器件中实际应用.本文研究了磁流变弹性体基体中增塑剂对材料磁流变效应的影响.结果表明,在基体中添加增塑剂使得磁流变弹性体的相对磁流变效应有较大幅度提高,并超过了目前文献中报道的最佳水平.文中还对磁流变弹性体的机械性能进行了评估,结果发现添加增塑剂对磁流变弹性体的机械性能影响不大.这表明在制备硬性工程实用磁流变弹性体时,在基体中添加增塑剂可以在保证机械性能的同时提高材料的磁流变特性.     

磁流变弹性体力学性能测量系统的建立

磁流变弹性体的性能参数很多.其中磁流变弹性体的磁控性能部分是这种材料的主要参数.然而现在国际上对磁流变弹性体的力学性能的测量缺乏标准性.不同的测试系统得到的结果差别也很大.本文建立了一套磁流变弹性体力学性能的测试系统.使用了经过改造的,可以实现力磁耦合的DMA动态测试系统和自制的动态力学性能测试系统,能够全面分析磁流变弹性体的磁致动态力学性能;改造了具备力磁耦合功能的电子拉力机,可以测试磁流变弹性体在不同磁场强度和应变率情况下的准静态模量;并建立了传统的标准橡胶测试手段,可以对磁流变弹性体的强度、硬度、抗疲劳性和回弹性等多项机械性能进行较为完整的测量.这一系列测试系统的建立,为磁流变弹性体的性能测试提供了较为全面的评估体系,为磁流变弹性体的性能突破和实用化研究打下了基础.     

磁流变弹性体隔振器的磁路结构有限元分析

磁流变弹性体是一种新兴磁流变材料,目前在结构振动控制、冲击隔离等方面显示出广阔的应用前景。基于磁流变弹性体的优良特性,设计一种剪切挤压式磁流变弹性体隔振器。根据磁流变弹性体工作区域磁场强度的要求,进行磁流变弹性体隔振器的磁路设计。利用ANSOFT电磁场分析软件,对磁流变弹性体隔振器进行磁路有限元分析,验证设计结果的正确性。     

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。     

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。     

基于链化模型的磁流变弹性体磁致效应影响因素分析

磁流变弹性体是磁流变材料中新的一员,它是由可磁化的铁磁性颗粒和橡胶基在外加磁场下固化而成的,固化后铁磁性颗粒在基体中形成链状等有序结构,因此其力学、电学、磁学等性质可由外加磁场控制.目前限制磁流变弹性体的大规模应用的一个重要因素是其磁致效应还不能够满足工程需要,制备出具有更大磁致效应的磁流变弹性体材料是当前的紧迫任务之一.在磁流变弹性体链化模型的基础上,引入斜链夹角的正态分布,采用偶极子法从理论上分析了诸多因素对磁流变弹性体磁致效应的影响,包括颗粒链的初始倾斜角、外加磁场强度、剪应变大小等,为材料的制备和性能的优化提供理论上的帮助.     

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.     

磁流变弹性体调频吸振器的研制

传统的动力吸振器吸振频带较窄,限制了稳定性和吸振效果的提高,影响了其应用范围.而磁流变弹性体是一种剪切模量可由外加磁场可控的智能材料.本文利用磁流变弹性体作为动力吸振器的弹性元件和阻尼元件,并采用移频调谐的控制方法,设计了一种可调频的动力吸振器.对其进行的动力特性的研究表明,该吸振器移频范围较宽,在较宽的吸振带宽内具有较好的吸振效果.     

Investigation on magnetorheological elastomers based on natural rubber

Magnetorheological Elastomers (MR Elastomers or MREs) are a kind of novel smart material, whose mechanical, electrical, magnetic properties are controllable under applied magnetic fields. They have attracted increasing attentions and broad application prospects. But conventional MREs are limited to wide applications because their MR effects and mechanical performances are not high enough. This paper aims to optimize the fabrication method and to fabricate good natural rubber based MREs with high modulus by investigating the influences of a variety of fabrication conditions on the MREs performances, such as matrix type, external magnetic flux density, and temperature, plasticizer and iron particles. Among these factors, the content of iron particles plays a most important contribution in shear modulus. When the iron particle weight fraction is 80% and the external magnetic flux density is 1 T, the field-induced increment of shear modulus reaches 3.6 MPa, and the relative MR effect is 133%. If the iron weight fraction increases to 90%, the field-induced increment of shear modulus is 4.5 MPa. This result has exceeded the best report in the literatures researching the MREs on the same kind of matrix. The dynamic performances of MREs were also experimentally characterized by using a modified Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) system. The effects of strain amplitude and driving frequency on viscoelastic properties of MREs were analyzed.     

圆筒式磁流变离合器的设计分析

磁流变离合器是通过磁流变液的剪切应力传递转矩的器件.本文建立了圆筒式磁流变离合器的几何设计方法,得到了磁流变液传递的转矩和两圆筒间能产生磁流变效应的最小间隙的设计计算公式,为离合器的几何设计奠定了理论基础.研究结果表明:转矩可由外加磁场连续控制;选择磁饱和时高屈服应力和零磁场时低粘度的磁流变液材料,能使设计的离合器的尺寸小而紧凑.     

取向磁场强度对磁流变弹性体力磁性能的影响

为探究制备过程中取向磁场对MRE力磁性能的影响,制备了相同磁敏颗粒夹杂的两种不同基体特性的MRE,分别对其微观组织和材料的力学性能进行了系统研究。结果表明:随着取向磁场与硅油含量的增大,磁敏颗粒在MRE中的链状排布更加明显;所制备材料的磁致剪切模量与磁流变效应均随着取向磁场的增大而增大,并且其增加趋势随着硅油含量的增加更加显著;磁流变弹性体的损耗因子随着取向磁场的增加逐渐增大,而当取向磁场高于250mT后,损耗因子几乎不变。相关结果可对磁流变弹性体的设计制备提供理论依据。     

Mechanics of Elastomer--Shim Laminates

The mechanics of laminates of elastomer and shims of high modulus material are reviewed. Such structures are often built to provide engineering components with specified, and quite different, stiffnesses in different modes of deformation. The shims may either be rigid or flexible, flat or curved, but are usually close to inextensible, being made of a high modulus material such as steel. On the other hand, rubber has an exceptionally low shear modulus, about one thousandth of its bulk modulus, so that shear of the rubber layers and flexure of the high modulus layers (if thin) are the dominant mechanisms of deformation of the composite. In comparison, extension of the layers and changes to their separation are highly constrained.
Modes of failure are addressed as well as force-deformation behaviour. For compression normal to the laminations, the shear in the rubber results in in-plane tension in the shims, possibly leading to tensile failure. For tension normal to the laminations, the elastomer can cavitate, which would relieve the shear in it and hence the in-plane compressive stress applied to the shim. In flexure, shear in the rubber can apply in-plane compressive stress to the shims and cause buckling failure.