（固体力学专业论文）磁流变胶的研制及其流变性能研究.pdf

摘要 摘要 磁流变材料是一类智能材料的总称，包括磁流变液、磁流变泡沫、磁流变 弹性体和磁流变胶等，它们的流变特性能够用外加的磁场来控制。磁流变胶是 其中的一个新兴分支。 本论文在国内率先系统研究了磁流变胶。首先研制了磁流变胶，其沉降性 能优于磁流变液。分析了表征磁流变胶流变性能的主要参数，采用流变仪对影 响磁流变胶性能的主要因素进行了研究，包括：采用应力扫描和剪切速率扫描 研究了铁粉含量对静态剪切屈服应力、动态剪切应力的影响；采用了剪切速率 扫描实验研究了明胶含量对零场表观粘度的影响：利用温度扫描实验研究了温 度对磁流变胶零场下粘度的影响。结果表明，在较低磁场下磁流变胶的静态剪 切屈服应力与磁场成线性关系，与铁粉含量并不成线性关系；在较高的剪切速 率下磁流变胶零场表观粘度与明胶含量成线性关系。分别采用宾汉塑性模型和 h e r s c h e l b u l k l e y 模型分析磁流变胶的流变性能，发现h e r s c h e l b u l k l e y 模型对 磁流变胶的流变行为分析更合适。分析了磁流变胶的粘弹性能表征方法，研究 了不同磁场下和不同铁粉含量下应变对模量的影响，确定了线性和非线性粘弹 性区域的临乔应变值，在线性和非线性粘弹性区域内研究了频率对模量和损耗 因子的影响。结果表明：磁场和铁粉含量的升高可以拓宽线性粘弹性区域；在 线性粘弹性区域内储能模量对频率并不敏感；在非线性粘弹性区域内储能模量 随着频率的改变而改变，并且临界频率彩。随着铁粉含量和磁场的升高而变 大。 关键词：磁流变胶流变性能粘弹性能 蓁萋萋霎 薹雾塞誉薹囊萎囊蓥耋；蓁1 冀萋蓁萋奏霎：耄| l l 妻i ：目童茎一i 主蚕： 翼囊雾：萎鍪薹? ；酉蓖l l 雾雾蓥喜萋蠢冀羹妻囊蒌薹霎霪妻萎妻蓁篓萎薹囊蓁雾羹j 霎霎 襄群奏薹j 萋萋i 耋ii 妻主一董主。 篓霎= 萋妻囊：i 耄茎霎j 翼冀霎蠢薹霎囊鋈羹蓁霎霎薹羹i | | | ；l 菱薹羹蓁i 季童i 毳l ；至薹霉窆蓁薹。 搴! 霎荤；耄l 蓦羹萋；雾匡噔羹l l 蓁l 妻萋。喜萋薹霎：薹薹主主i i i 考善主 雾二竺! 霎| 霎三三! 蠢主；薹霎ii 孝妥；萤i i ! 章毒雾i 季；薹l l 耄薹 要耋耄毫毫i i 薹i ，主i 耋雯霉至季i 霉霎i 罨圣薹薹囊；薹囊至薹j 毒茎；妻。 垂i 蠢瞎隆! ! 蔓翼霎：羹量蓦萋三；薹霎薹= | 薹霎妻薹霉章喜i 奏薹薹薹；莹! 缓霎i 主至i i 妻；至! 妻堇1 i 女羹妻詈莲蓬馨主_ 薹! 茎! 薹喜霉i 萼三! 墓薹! 三! 毫妻i 霎釜雾ii 量i 耋兰垂董妻誊蕾羹蓁茎i ：；，霎；妻堇i i 主= l 鍪毳莩i 囊l 茎羔；黉誊；主喜i ；董蠢妻i ；ii 萎；主；j 墨雩i 萋一霎兰茎箩 妻匿睡匿l 喜；藿垂霉毒羹 萎 薹： 囊囊| 萋詹臣i 堑三 薹i 三蔓i 垂薹霍耋霎i ；| 霎姜亭i 昌蚕j i 茧i | l 蓄i 姜l ； 誊霎i 堇；i 萎i ；： 乏；量誊；三! i 耄至l ；三：耄薹耋茎茎；：三蚕l i | i | 三| 至雾薹i 搴量i 霉! 塞；薹霎l 孽至i 垂；! 萝i 女鍪薹薹耋i 嚣薹i 垂；堇i 二薹i ；霎囊一i 至蓁； 篓孽i 霎i 喜蚕；荔隼塞萋霎耋主嚣鋈霎。主；董；霎雾= i 奏薹霎：萋堂堂晕；i 主要奄；萋il | 霪薹孽董量i 茎奏! 鹱i 蓬l 蓥! ；! 薹蓁 第l 章绪论 第l 章绪论 磁流变( m a g l l e t o r h e o l o 百c a l ，简称m r ) 材料是一种流变性能可由磁场控制 的新型智瑰錾篝；囊唑割裂期曼蠢诧；囊爹转雀! i “爨茬葡! 暨雾需裂受i 嘲雪 荸金鳓霉嚏| 霎羹蠢离豫滗蕊墨蹦茹裂熬羞熙酱霎蓁猾长荆酹莉淹孺卤臻揲；茵 茬墼盏苇缁，副勤。撼缫坯竖蒴囊型霾赛彭翱擎藿i ”要引鳕厩趸跨黪毳一 蚕露餮篓霸；端坯虽羹蚕弱懵篮囊昌荣，陈伟民，2 0 0 1 ，张思才，廖昌荣，2 0 0 2 ，廖昌荣，余淼，陈伟民 等，2 0 0 5 ，廖昌荣，余淼，张红辉等，2 0 0 6 ，王可利，陈伟民，唐旭东，2 0 0 6 ) 。 1 1 2 磁流变泡沫 磁流变泡沫材料是将磁流变液吸附在海绵、泡沫材料或者纺织物等具有吸附 能力的基体上( c 砌s o njd ，j ol l ymr ，2 0 0 0 ) ，在外加磁场作用下其力学性能和其 他磁流变材料一样也可以迅速的发生变化。在外加磁场作用下，由于基体的吸附 作用，磁流变液可以被限制在有效区域而不扩散。磁流变泡沫材料的最大优点其 器械不需要密封、高的制造精度以及需要的磁流变液量少。常用的磁流变泡沫器 械的工作模式有平行剪切和旋转剪切。图1 2 为磁流变泡沫直线阻尼器和磁流变 泡沫刹车( c 砌s o njd ，j o i lymr 2 0 0 0 ) 。 6 o o m 图1 2 磁流变泡沫直线阻尼器和磁流变泡沫刹车( c a r l s o njd ，j o l l ymr ，2 0 0 0 ) 1 1 3 磁流变弹性体 磁流变弹性体的概念最早可以追溯到日本的s 1 1 i g a ( 1 9 9 5 ) 等人发表的文 章，它是由微米尺寸的可磁化的固体颗分散到弹性体( 高分子聚合物如橡胶) 中 。 x 第l 章绪论 x i l lm ，g o r d a n i n e i a df ，e ta 1 ，2 0 0 4 ) ，其磁化饱和强度大约在2 1 t 。铁钴合金颗粒 也因为其超高的磁化饱和强度( 2 4 t ) 也倍受众多研究者的关注( p h u l epp ， j a l l ( a rad ，1 9 9 8 ) 。还有其它众多的合金颗粒用来制备磁流变液( p h u l epp ， ( 弛1 d e rjm ，1 9 9 9 ，m a r g i d aa j ，w e i s skd ，c a r l s o njd ，1 9 9 5 ，g o n grz ，f e n gzk ， g 啪jg ，e ta 1 ，2 0 0 l ，k o r d o n s k yvi ，d e m c h u ksa ，1 9 9 6 ) 。磁流变液中磁 生颗粒 的尺寸和体积分数也是影响磁流变液性能的重要因素，它们不仅会影响磁流变效 应，还会影响零场粘度和沉降稳定性。p h u l e ( 19 9 8 ) 等发现最优的颗粒体积分数 在3 0 5 0 之间，颗粒的粒径在1 1 0 微米之间。但是在颗粒体积分数一定的情 况下，颗粒的粒径越大，磁流变效应越好。为了缓解沉降问题，研究者往往对磁 性颗粒的表面进行包裹修饰( 量沁n n a n nc ，l 绷nhm ，r i c h t e rhj 1 9 9 6 ，j a j l gib ， k 蚰hb ，l e ejy ，e ta l ，2 0 0 5 ，p h u l epp ，2 0 0 1 ) ，或者加入一些添加剂，如一些纳 米的二氧化硅和炭黑( a s h o u ro ，r o g e r sca ，k o r d o n s k yw ，1 9 9 6 ，l 0 p e z l 0 p e zm t ，d ev i c e n t ej ，g o i 冽e z c a b a l l e r of ，2 0 0 5 ) ，甚至加入其它的磁性金属颗粒 ( a s h o u ro ，r o g e r sc a ，k o r d o n s k yw ，1 9 9 6 ，c h c nzy ，t a n gx ，z h a n ggc ，e ta j ， 1 9 9 8 ，p h u l epp ，1 9 9 8 ，p h u l epp ，2 0 0 1 ) 。 在磁流变液流变性能测试方面，大部分的测试装置都是由普通的粘度计改装 而成的，只需添加一个可以给样品加磁场的磁场发生装置即可。l 猢( 1 9 9 6 ) 等 人系统地改装了同心圆筒式的流变仪，可以对样品施加一系列的磁场，他们还设 计了一个可以有高剪切速率的磁流变仪。g i n d e r ( 1 9 9 6 ) 等人设计和搭建了一个 同心圆筒式的磁流变仪，其磁场强度可以超过l t 。b o s s i s ( 1 9 9 1 ) 、李卫华 ( 2 0 0 0 ) 和p h u l e ( 2 0 0 2 ) 等人则使用商用的旋转平板式流变仪。f e i t ( 1 9 9 6 ) ， g 觚s ( 1 9 9 8 ) 等人则使用锥平板式流变仪。对于平行板、锥平板和同心圆筒流变 仪各有优缺点。对于锥平板式流变仪最大的好处是可以保证剪切面上各点的剪切 速率相同，但是难以保证磁场的均匀性，并且由于本身的结构限制难以用来研究 较高剪切速率下的流变行为。同心圆筒流和锥平板类似，也可以基本保证各点剪 切速率的一致性，同样也存在磁场的问题。而平行板虽然可以保证磁场的均匀 性，但是剪切面上各点的剪切速率是不同的，对于牛顿流体并不会产生大的影 响，但是对于非牛顿流体则存在较大的问题，需要在数据处理上进行弥补。以上 这些磁流变测试装置很多都是用商用粘度计或者流变仪改装而成，因此其最大剪 切速率有限，一般只能达到几千s 1 级别的，而磁流变液在应用中可能受到的剪切 速率可以到几万s 1 级别，因此n a k a n o 等人( 1 9 9 9 ) 研制了活塞驱动式的管道流变 2 第l 章绪论 仪，但是这种测试结构存在磁场的均匀性等问题。内华达大学的w a n g ( 2 0 0 5 ) 等 人研制了活塞驱动式的流变仪，剪切速率可控制范围为5 0 s 一4 0 0 0 0 s 一，可以用来 对磁流变液在高剪切率下的磁流变性能进行研究。图1 1 为w a n g ( 2 0 0 5 ) 等人研 制的活塞驱动式的高剪切速率流变仪示意图。 图1 1 活塞驱动式的高剪切速率流变仪( w a n g ，2 0 0 5 ) 在国内早期有中国科学技术大学的唐新鲁、金昀( 1 9 9 8 ) 研制了管道式磁流 变液剪切屈服应力测试装置，周刚毅，唐新鲁( 1 9 9 8 ) 等研究了旋转碟片式磁流 变液剪切屈服应力测试仪，其磁场强度可以达到6 0 0 m t 。复旦大学的潘胜 ( 1 9 9 7 ) 等人研究了拖板式磁流变仪。 在磁流变液应用方面，磁流变器械在各个领域都有应用前景，尤其在汽车工 业、航空航天和大型建筑结构等领域。美国l o r d 公司的各型可调磁流变液旋转 阻力器己广泛应用于车辆和建筑减振中；d e l p h i 公司的m a g n e r i d e t m 半主动磁 流变悬挂装置已经有安装在卡迪拉克x s l 上( c a r l s o njd ，2 0 0 5 ) ：g a n d h i 等人 ( m 黝t h es ，g a n d h if ，w a n gkw ，19 9 8 ，g a n d h if w a n gkw ，x i alb ，2 0 0 1 ) 对 直升机转子磁流变阻尼器进行了系统的研究。两个3 0 吨级的磁流变阻尼器在东 京国家博物馆建筑中得到应用；中国的洞庭湖大桥中使用了磁流变阻尼器来控制 由风载等引起的振动( c a r l s o njd ，2 0 0 3 ) 。磁流变液和磁流变器械的使用寿命也 是在实际应用中需要考虑的重要问题( c a r l s o njd ，2 0 0 2 ) ，美国的j o h n 等人 ( j o l l ncu ，c h a r l e n eah ，p a t r i c kmh ，e ta 1 ，2 0 0 7 ，j o h ncu ，m i c h a e lpb ，n 0 e lm p ，e ta 1 ，2 0 0 7 ) 利用鼓风机式离合器对磁流变液及离合器本身在长时间工作下的 第l 章绪论 失效问题进行了深入地研究。 在国内哈尔滨工业大学的欧进萍等已经对原型直线阻尼器在大型建筑结构上 的应用进行了系列研究( 宁欣，闰石，欧进萍，2 0 0 3 ，关新春，李金海，欧进萍， 2 0 0 5 a ，关新春，李金海，欧进萍，2 0 0 5 b ，李金海，关新春，欧进萍等，2 0 0 6 ) 。重庆 大学及智能结构研究中心的廖昌荣，余淼等人对汽车用磁流变器械进行了比较系 统的研究( 廖昌荣，陈伟民，2 0 0 1 ，张思才，廖昌荣，2 0 0 2 ，廖昌荣，余淼，陈伟民 等，2 0 0 5 ，廖昌荣，余淼，张红辉等，2 0 0 6 ，王可利，陈伟民，唐旭东，2 0 0 6 ) 。 1 1 2 磁流变泡沫 磁流变泡沫材料是将磁流变液吸附在海绵、泡沫材料或者纺织物等具有吸附 能力的基体上( c 砌s o njd ，j o l l ymr ，2 0 0 0 ) ，在外加磁场作用下其力学性能和其 他磁流变材料一样也可以迅速的发生变化。在外加磁场作用下，由于基体的吸附 作用，磁流变液可以被限制在有效区域而不扩散。磁流变泡沫材料的最大优点其 器械不需要密封、高的制造精度以及需要的磁流变液量少。常用的磁流变泡沫器 械的工作模式有平行剪切和旋转剪切。图1 2 为磁流变泡沫直线阻尼器和磁流变 泡沫刹车( c 砌s o njd ，j o i l ymr 2 0 0 0 ) 。 r ，c 口f m 图1 2 磁流变泡沫直线阻尼器和磁流变泡沫刹车( c a r l s o njd ，j o l l ymr ，2 0 0 0 ) 1 1 3 磁流变弹性体 磁流变弹性体的概念最早可以追溯到日本的s 1 1 i g a ( 1 9 9 5 ) 等人发表的文 章，它是由微米尺寸的可磁化的固体颗分散到弹性体( 高分子聚合物如橡胶) 中 4 - 第l 章绪论 而成的。在制备过程中是否有外加磁场对磁流变弹性体的性能会有很大的影响。 在无磁场下固化，磁性颗粒在基体中是均匀分布的，材料呈现出各向同性的特 点，但是这种制备得到的弹性体相对磁流变效应较低：在磁场作用下固化，由于 磁流变效应，颗粒在基体中形成链或柱状有序结构，这种固化后的各向异性结构 在磁场作用下具有许多独特的性能。在弹性体中由于其颗粒被固定在基体中，不 存在颗粒沉降问题，因而与普通磁流变液相比，磁流变弹性体不但具有可控性、 可逆性、响应迅速等高技术特征，还具有稳定性好、结构设计简单等独特的优 点。正是由于磁流变弹性体兼有磁流变液、弹性体( 橡胶) 两方面的诸多优点， 使其具有广泛的工程应用前景。 在磁流变弹性体中磁性颗粒的选择与磁流变液相同，一般都选择饱和磁化强 度高的颗粒，通常使用羰基铁粉，而基体的选择以及制备方式则可以决定到磁流 变弹性体的性能。目前一般常用的基体有硅橡胶，天然橡胶以及其它的一些高聚 物弹性体。美国l o r d 公司的研究人员j o l l y 、c a r l s o n 等人( 1 9 9 6 ) 对硅橡胶作为 基体的磁流变弹性体的力学性能进行了测试和分析，在外加磁场在0 8 t 时的相 对磁流变效应4 0 ：f o r d 公司研究组成员g i n d e r 、d a v i s ( 1 9 9 9 ) 等人对基体为 天然橡胶的磁流变弹性体进行了建模并对其粘弹性行为进行了研究；d a v i s ( 1 9 9 9 ) 理论计算发现弹性体中磁性颗粒的最佳体积比为2 7 ，此时磁饱和后其 剪切模量的相对改变量为5 0 ，并采用偶极子模型对磁致剪切模量相对改变量进 行了计算；d o 疵l a n n 等人( b r i g a d n o via ，d o r f m a i l l la ，2 0 0 3 ，d o r f m 觚1 1a ，o 酣e n rw 2 0 0 3 ) 和t r i a n t a 匆l l i d i s 等人( 2 0 0 4 ) 在各向同性和弹性的假设下建立了磁 流变弹性体连续介质模型；在线弹性范围s u i l 等人( 2 0 0 5 ) 用骶e n 函数模拟了 磁流变弹性体的力磁耦合行为。 鉴于磁流变弹性体的磁场可控刚度及稳定的性能，所以在应用方面有着很广 泛的前景，在汽车减振、减噪等领域都能够替代传统的器件，如悬挂系统、发动 机架、轴衬、吸振器等( d a v i dcj ，j o l l ymr ，2 0 0 0 ) 。f o r d 汽车公司已经申请了 一个基于磁流变弹性体的轴衬的专利( w a t s o njr ，1 9 9 7 ) 。g i n d e r ( 1 9 9 9 ) 等人 利用磁流变弹性体的力学性能可由磁场控制的特点，设计出了能在轴向和径向实 现不同的刚度控制的磁流变弹性体轴衬。2 0 0 1 年，美国f o r d 研究中心材料科学 研究组的g i n d e r ( 2 0 0 1 ) 等人进行磁流变弹性体吸振器的开创性工作，研制成功 了一种可在5 0 0 h z 到6 0 0 h z 内移频的磁流变弹性体吸振器原理样机。随后，多 个大学和研究所开始了磁流变弹性体吸振器的研究。美国佐治亚理工大学研究了 5 第l 章绪论 压缩式磁流变弹性体吸振器的移频特性及其控制方法( a l b a n e s eam ，c u i l e 蠡鹏k a ，2 0 0 3 a ，a l b a l l e s eam ，c u l l e 陆eka ，2 0 0 3 b ) ；澳大利亚卧龙岗大学对磁流变弹 性体吸振器的特性进行了仿真，并研究了其用于汽车引擎减振的前景( z l l a n gx c ，z h a n gxz ，“wh ，e ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 在国内中国科学技术大学率先对该领域进行了研究，在材料制备、力学性能 理论和实验分析、实际工程应用等领域取得了很多成果。 在材料制备及性能测试方面：王银玲等人采用聚苯乙烯和硅橡胶混合物 ( w a n gyl ，h uyg o n gxl ，2 0 0 7 ) 、硅橡胶聚氨酯混合物( h uyw m gyl ， g o n gxl ，e ta 1 ，2 0 0 5 ) 、异丁烯橡胶( w a n gyl ，h uyg o n gxl ，2 0 0 6 ) 等为基体 在无磁场条件下制各了磁流变弹性体：陈琳等人( 2 0 0 7 ) 使用天然橡胶制备得到 了高性能的磁流变弹性体：李剑锋( 2 0 0 7 ) 等人使用硅橡胶为基体制备得到的磁 流变弹性体的相对磁流变效应达到了8 7 8 。在添加剂方面：陈琳等人使用炭黑 ( c h e nl ，g o n gxl ，l iwh ，2 0 0 8 ) 和增塑剂( 陈琳，龚兴龙，江万权等， 2 0 0 6 ) 作为添加剂制备得到了磁流变弹性体，研究结果表明：添加的碳黑含量越 高，磁流变弹性体的磁致模量越大，损耗因子越小，机械强度越高，此结果为解 决磁致模量、损耗因子、机械强度之间出现的矛盾提供了一可行方案；增塑剂含 量越高，相对磁流变效应越大，然而材料的机械性能也有所降低。 在力学性能理论和实验分析方面，方生等人( 2 0 0 4 ) 对磁流变弹性体力学性 能的测试与分析进行了研究；随后针对实际制备条件，分别建立了几种典型的结 构下的磁致模量计算模型，包括适用于无磁场制备时的局部团聚的各向同性结构 模型、低颗粒体积比时的考虑局部场的多链结构模型、高颗粒体积比时的柱状结 构模型，这些模型能够较好地反映具有不同结构的磁流变弹性体的力学行为 ( g o n gxl ，z h a n gxz ，z h a l l gpq ，2 0 0 5 ，z h uys ，g o n gxl ，d 锄gh ，2 0 0 6 ) ： 陈 琳等人( 2 0 0 7 ) 根据实际微观结构观测结果，认为磁流变弹性体中的柱结构并不 贯穿厚度，而是有限长度的，以制备时的外加磁场强度和颗粒体积比作为基本参 数，在国际上首次建立了有限柱长模型，分析了各种参数对磁流变弹性体性能的 影响，探讨了高磁流变效应的形成机理。根据该模型的模拟结果与实验结果相当 吻合。 在磁流变弹性体面向实际应用的过程中，邓华夏等人( d e n ghx ，g o n gxl ， w h g l h ，2 0 0 5 ，d e n ghx ，g o n gxl ，2 0 0 7 ，d e n ghx ，g o n gxl ，2 0 0 8 ) 以磁流变 弹性体作为智能刚度单元设计了调频式半主动动力吸振器。通过调节外加磁场改 6 第1 苹绪论 行对比分析。为磁流变器件的设计提供实验依据。 第五章，研究磁流变胶的粘弹性能，通过应变扫描实验确定应变对模量的影 响，以此确定线性粘弹性范围。通过控制不同的应变幅值的频率扫描实验，研究 在线性和非线性粘弹性范围内频率对模量的影响，为磁流变器件的设计提供实验 依据。 第六章，对本文的内容进行了总结，对材料存在的问题和以后的研究方向进 行了展望。 第2 章磁流变胶的制备与沉降稳定性 第2 章磁流变胶的制备与沉降稳定性 2 1 磁流变胶的制备 磁流变胶是由磁性颗粒均匀分布在凝胶基体中而组成的。在磁流变液中已有 文献证明不同磁性颗粒合适的粒径应在1 1 0 微米之间，体积分数在2 0 3 0 最 为合适( p h u l e ，i9 9 8 ) ，因此本文中的磁流变胶沿用了磁流变液常用的羰基铁粉， 采用德国b a s f 公司的平均粒径为3 5 微米的羰基铁粉。 本文中的磁流变胶的主要成份是以磁性铁粉颗粒和凝胶基体组成的。其中磁 性颗粒采用德国b a s f 公司的平均粒径为3 5 微米的羰基铁粉，铁粉纯度为 9 9 5 ；凝胶基体材料中的明胶( 化学纯) 和丙三醇( 分析纯) 均购自国药集团 化学试剂有限公司。 制备过程以铁粉颗粒的质量分数为8 0 的样品为例，先将8 m l 水和1 2 m l 的 丙三醇混合均匀，再将0 5 9 明胶加入其中，在加热台上对混合液进行加热。同时 不停地搅拌，加速明胶的溶解，控制加热过程直至明胶完全溶解，得到淡黄色溶 胶溶液。在溶胶溶液凝结之前将已经称取好的9 2 9 铁粉分次加入，先取少许粉体 慢慢加入到基液中，搅拌直至粉体颗粒和溶胶溶液混合均匀，搅拌下续加其余铁 粉，继续搅拌约半个小时，直至均匀。放入冷藏室冷藏成凝胶即可。 表2 1 磁流变胶样品的组分含量 样品编 号 铁粉含量( 屈)明胶含量( g )水丙三醇( m 1 ) 1 4 0 1 5 9 0 58 1 2 2 5 0 2 l g 0 58 1 2 3 6 0 3 5 2 9 o 58 1 2 4 7 0 6 0 8 9 0 58 1 2 5 8 q 9 2 9 o 5 8 i 2 6 7 0 6 0 8 9 0 28 1 2 7 7 0 6 0 8 9 0 38 1 2 8 7 0 6 0 8 9 0 4 8 1 2 9 7 0 6 0 8 9 0 68 1 2 表2 1 为本文实验中9 个不周样品的成份构成，其中5 个为不同铁粉含量磁 第2 章磁流变胶的制备与沉降稳定性 右，已经沉降完全：而磁流变胶无明显沉降，析出的母液只占总质量的l i5 左 右，当离心2 0 分钟时才沉降完全，此时析出的基体才占总质量的5 5 。由此可 知磁流变胶的沉降稳定性要远远地好于该种磁流变液。这是因为磁流变胶的粘度 olo2 o3 o405o 6 0 ti me ( mi n ) 图2 1 相同铁粉含量的磁流变胶和磁流变液沉降稳定性对比 要比磁流变液大得多，同时基体中的胶体结构可以给颗粒足够的支撑，因此其沉 降性能比磁流变液好。 2 3 本章小结 本章介绍了磁流变胶的制备过程，并且通过与相同铁粉含量的磁流变胶和磁 流变液的离心沉降实验来研究磁流变胶的沉降稳定性。研究结果表明磁流变胶的 沉降稳定性要远优于磁流变液。 7 6 5 4 3 2 1 0 l - 产装。口。州芑对。兰甚q黟 第3 章磁流变胶流变性能的研究 第3 章磁流变胶流变性能的研究 3 1 磁流变胶流变性能测试系统 磁流变胶是一种新型的磁流变材料，其流变性能的测试方法可以沿用磁流变 液的，本文中的所有流变学实验全部采用奥地利安东帕公司的p h y s i c am c r 3 0 1 型流变仪，图3 1 为流变仪实物图。该流变仪可以进行稳态剪切、动态剪切以及 瞬态剪切等实验，可以为应力控制或者应变控制模式。为测量其磁致力学性能， 使用磁流变附件p s d c m 刚5 a 及p p 2 0 测量头，测试部分主要结构工作原理如 图3 2 所示，其最大的磁场电流为5 a ，无样品情况下最大的磁场为l t ，工作温 度范围2 0 一18 0 。其中的旋转盘片为用非导磁材料加工的上盘片，下盘片为导 磁材料做的定片。样品放置在上述两个平行盘片之间，测试时应力应变载荷通过 上盘片施加到样品上，同时通过与上盘片相连的传感器采集上盘片受到的扭矩信 号，温度载荷由下盘片施加到样品上。 图3 1p h y s i c am c r3 0 l 型流变仪 1 3 - 第3 章磁流变胶流变性能的研究 不同的外加磁场作用下的应力应变实验融线寻找材料的屈服点，取在应力应变双 对数坐标曲线中发生明显转折的点为屈服点，对应的应力即为剪切屈服应力。 3 2 。2 磁流变胶的零场表观粘度 在磁流变阻尼器中零场粘度是一个很重要的性能指标，一般要求零场粘度尽 可能的小，这样才能拓宽材料在一定可变磁场范围内的可控粘度变化范围，从而 使阻尼器具有更大的可控阻尼力变化范围。 对于磁流变液，在零磁场下一般可以近似地认为磁流变液是牛顿流体，即其 粘度不依赖于剪切速率，保持恒定值。但是磁流变胶由于存在胶状结构，受到剪 切作用时粘度会随着剪切速率的变化而变化，因此我们用表观粘度来定义磁流变 胶的粘度。表观粘度是指对应于一定的剪切速率时的粘度值，如下式所示： 玎：三 ( 3 ，1 ) 。- - k j ，lj 7 其中即为表观粘度，f 为剪切应力，尹剪切速率。 3 。2 3 磁流变胶的动态剪切应力 磁流变胶在屈服流动前可以类似与刚体，其应力应变关系符合弹性体的应力 应变关系，即； r = g y ( 3 2 ) 而在屈服流动后其剪切应力变化则较为复杂，可以分解为剪切屈服应力和粘滞 力，即： 产毛+ 0 ( 3 3 ) o = 仇胃， ( 3 4 ) 其中：q 为动态剪切屈服应力，0 为粘滞力，玖，为屈服后的表观粘度，与外 加磁场和剪切速率有关，可以随着磁场连续变化。 动态剪切应力与剪切速率的关系是众多研究者比较关心的研究内容，因为从 剪切应力与剪切速率的关系曲线中得到很多有用的信息，比如动态剪切屈服应 力，屈服流动后是否符合牛顿流体行为，是否符合宾汉模型等，这个研究内容对 磁流变阻尼器的设计具有很大的相关性。 第3 章磁流变胶流变性能的研究 力与铁粉含量的在不同磁场下的关系曲线，由图中可以看到剪切屈服应力与颗粒 含量并不像普通的磁流变液那样成简单的线性关系( l iwh ，2 0 0 0 ) 。这是因为普 通的磁流变液基液的粘度比较小，在外加磁场作用下基液对颗粒的运动并不会产 生很大的影响，因此颗粒可以很容易的形成链柱结构，但是磁流变胶的基体是凝 胶，其粘度值较大，颗粒在移动时受到的粘滞阻力很大，因此并不是所有的颗粒 都能迅速的参与形成链柱结构，所以静态剪切屈服应力并不是与铁粉含量成严格 的线性关系。 8o 60 4 0 2 o o 4o ，5o6 o7o80 w e i g h tf r a c t i o n 图3 7 不同磁场下剪切屈服应力与铁粉颗粒含量的关系曲线 3 3 2 铁粉含量对零场表观粘度的影响 图3 8 是5 个铁粉含量不同的样品在零磁场作用下的表观粘度随着剪切速率 的变化曲线。由图中可以看到，随着铁粉含量的升高，零场表观粘度也随之升 高，在剪切速率为1 s 以时，4 0 铁粉含量的磁流变胶的粘度为3 9 p a 事s ，而8 0 铁 粉含量的磁流变胶的粘度达到了3 3 3 0p a 搴s ，相差近1 0 0 倍。每个样品随着剪切 速率的增大，表观粘度下降明显，并且二者成近似对数线性关系，由此表明磁流 变胶的表观粘度与剪切应力之间符合幂率定律，即玩o c 尹一。不同样品曲线之间 基本保持平行，说明各个铁粉含量的样品值变化不大，基本一致，因此铁粉含 量的多少对于磁流变胶在受到稳态连续剪切时其表观粘度与剪切速率的变化规律 影响不大。 爵h沈o扫它一q九】恩。矗 第3 章磁流变胶流变性能的研究 1o o o lo o lo 1 0 1 o o1 1l010 0 s h e a rr a t e s 1 图3 8 零 i 雾雩蓁 | 蓄鋈 | 薹 | 蓁； 坦；冀| 雾珏d 蓁蓁囊鋈i 芎圣： 囊毳瑗雾! 蓁要塞i i 蠹i 薹l 薹蓠 羹冀；霎缉鬈蜒鋈晨墼藉鬻磬笪磊鹾 篓蠢；霪谚蜀辫幅爱刿蚤奠鼋敬銎邕昆驯警禁器塑蓁墼黑峰i 丝蒸冀黟冀凄 臻蕊缘雾蕊罂的 静态剪切屈服应力，磁场值包括：o 、2 6 7 k a m 、 5 7 1 、8 3 、1 0 2 8 龇。由图中可以看到在上述磁场下剪切屈服应力分 别为34p a ，10 8 5p a ，2 4 6 0p a ，3 6 9 0 p a ，4 2 3 0p a ，对该实验曲线进行线性拟和后 可以发现静态剪切屈服应力与外加磁场成近似的线性关系。这与磁流变液中是有 第3 章磁流变胶流变性能的研究 含量对表观粘度的影响也越小。 3 3 3 铁粉含量对磁流变胶动态剪切应力的影响 图3 1 0 为在固定剪切速率为1 0 s 以的6 0 铁粉含量的磁流变胶磁场扫描实验 结果曲线，由图中可以看出随着磁场的增大，剪切应力迅速增大。在较低磁场下 剪切应力增大十分迅速，但是随着磁场的增大，剪切应力增长变缓。这是因为在 随着磁场的不断增大，样品逐渐出现磁化饱和。 c 寸 里 们 当 们 葛 。 量 02 04 06 08 01 0 01 2 0 m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h 。1 图3 1 0 剪切应力与外加磁场强度的关系 图3 1 1 为5 个不同铁粉含量的样品动态剪切应力与磁场的关系曲线。图中各 个曲线中剪切应力都随着磁场的增大而增大，但是在相同的磁场下铁粉含量高的 样品的剪切应力明显要高于铁粉含量低的样品。每个样品都有个共同的特性， 随着磁场的增大，刚开始剪切应力增大迅速，随着磁场的继续增大，剪切应力增 大的速率减缓，直至到最后对磁场不敏感，随着磁场的不断增大，样品逐渐出现 磁化饱和。 加掩坫m 屹m 8 6 4 2 o 550 o 50 o o 黧 45o o 4 气i l 2 。 罚 高 黑 4 oo o 皇 4 n n n ” 350 o lol0 o sh e a rr a t e s 1 图3 1 26 0 铁粉含量的磁流变胶在磁场为2 6 7 k m 时 的流动曲线 l0o o loo l0 lloloo she arr a t e s 图3 1 36 0 铁粉含量的磁流变胶在磁场为 2 6 7 时的表观粘度与剪切速率的关系曲线 。一dx皇o口一p口曲1haa 第3 章磁流变胶流变性能的研究 日 冬 l0 0 0 0 们 沈 2 _ 葛 o l lo o o 1olo o 图3 1 4 各个样品在磁场为2 6 枞时的流动曲线 图3 1 4 为各个样品在磁场为2 6 7 下的流动曲线，每个样品的剪切应力 随着剪切速率的增大而增大，并且剪切应力随着铁粉含量的升高而升高。只有铁 粉含量为4 0 的磁流变胶的剪切应力与剪切速率之间基本保持线性关系，随着铁 粉含量的升高，其线性度也越来越差，说明其非牛顿流体行为也越明显，此时分 析其流动行为用宾汉模型会产生很大的误差。 表3 1 为各个样品在磁场为2 6 7 下的动态剪切屈服应力值，由流动曲线 反向延展至剪切速率为零处得到。 表3 1 磁场为2 6 7 下的各个样品的动态剪切屈服应力值 铁粉含量( )动态剪切屈服应力( k p a ) 8 0 1 5 2 7 0 8 3 6 02 1 5 0 1 5 4 0o 8 第3 章磁流变胶流变性能的研究 3 4 明胶含量对零场表观粘度的影响 明胶是本文中磁流变胶的另一重要组成成分，磁流变胶中的胶状结构就是由 明胶溶解在水和丙三醇混合液中而成的，因此明胶的含量多少将会对磁流变胶的 零场粘度产生很大的影响。对于在有磁场作用下，磁流变胶主要承受剪切作用的 是磁性颗粒形成的链柱结构，胶状结构并不会起很大的作用，因此本文只测量明 胶含量对零场粘度的影响。 c 门 * 蓥 o c ) 10 o 1 o2 0 04 0 06 0 08 0 0 lo o o s h e a rr a t e s 1 图3 1 5 零场下不同明胶含量对粘度的影响 图3 1 5 为零磁场下各个明胶含量的磁流变胶的表观粘度随着剪切速率的变 化，剪切速率为1 1 0 0 0 s j 连续变。由图中可以看到所有的磁流变胶样品的表观粘 度都随着剪切速率的升高而下降，呈现出剪切稀化的特点，并且随着明胶含量的 升高，其表观粘度值也是升高的。这是因为随着明胶的含量的升高，磁流变胶中 的胶状结构会增多，抵抗剪切破坏的能力会加强，所以表现出来粘度会随着明胶 含量的升高而升高。 第3 章磁流变胶流变性能的研究 毒 日 匙 釜 昌 2 萝 o 2o 3o 4o 5o 6 g l u t i nm a s s g 图3 1 6 在不同剪切速率下表观粘度与明胶含量的关系曲线 图3 1 6 是在不同剪切速率下的粘度与明胶含量的关系曲线，剪切速率分别为 1 0 0s ，3 0 0s 一，5 0 0s ，1 0 0 0 s 一。由图中不难看出，在较高的剪切速率下( 1 0 0 0 s q 和5 0 0s 。1 ) ，粘度随着明胶质量的增大成线性增长，并且随着剪切速率的增 大。曲线的斜率下降，这表明随着剪切速率的增大，明胶对磁流变胶的影响在降 低。但是在较低的剪切速率下( 1 0 0s 。和3 0 0s 1 ) ，明胶的含量与粘度并不成线 性关系。因此由此也可以得到随着明胶含量的增大，磁流变胶中的胶状结构增 多，在较小的剪切速率下，胶状结构很难被完全破坏，但是随着剪切速率的增 大胶状结构被完全破坏，胶状结构对粘度的贡献也降低。 3 5 温度对磁流变胶零场表观粘度影响 磁流变胶的可能使用范围目前尚未有系统的研究，由于其与磁流变液相近的 流变性能，因此可以部分的代替磁流变液。磁流变液目前的使用环境温度可达- 4 0 至+ 1 5 0 之间，丽磁流变胶的适用温度目前尚未有人进行该方面系统的研 究。由于磁流变胶的成份中含有凝胶，而凝胶和溶胶在一定温度下可以相互转 化，当二者发生转化之后，其性能可能会发生变化，所以研究温度对其性能的影 响是很有必要的。 本文中采用温度扫描的实验方法研究研究温度对磁流变胶流变性能的影响， 主要研究零磁场下表观粘度随着温度变化的变化。 2 6 第3 章磁流交胶流变性能的研究 笔 警 售 量 t e mp e r a t u r e o c 图3 1 7 粘度与温度的关系曲线 图3 1 7 为0 4 9 明胶、7 0 铁粉含量的磁流变胶的粘度与温度的关系曲线， 实验中温度为1 0 。1 3 0 连续变化，升温速率为2 m i n ，剪切速率为1 0 s ，在正 式开始实验之前先用1 0 s 1 预剪切1 分钟，使磁流变胶搅拌均匀。由图中可以看 到粘度随着温度的变化过程。在1 0 时，磁流变胶的粘度最大，达到了 6 9 p a 木s ，随着温度的升高，粘度迅速的降低，当温度达到4 0 时，粘度值的变化 不再明显，基本上稳定在1p a 木s 左右，当温度达到1 0 0 粘度又重新开始上升， 在1 3 0 时粘度甚至达到了5 3 p a 水s 。这是一个很有意思的现象，在磁流变胶随温 度的变化过程中出现了剪切稀化、牛顿流体特性和剪切增稠现象。当温度低于4 0 时，随着温度的升高，磁流变胶中的部分凝胶开始变为溶胶，因为凝胶的粘度 要比溶胶大很多，所以在这个温度段内，粘度是呈稀化的特征的，并且随着温度 的升高，粘度下降的速度也增大，说明随着温度的升高凝胶向溶胶转化的速度加 快。在4 0 与1 0 0 之间，大部分的凝胶已经成为了溶胶态的，所以其粘度随着 温度已经基本不变了。当温度超过1 0 0 时，磁流变胶成分中的水可能被蒸发掉 了导致颗粒之间相互摩擦因此粘度上升。在剪切稀化温度区内，粘度与温度的变 化关系也是与一般的聚合物不同的，很多聚合物的粘度与温度关系是呈现指数变 化关系的，但是磁流变胶在该温度域内，粘度与温度的关系是分段线性的，图中 以2 0 为分界点。由此可以得出该磁流变胶的合适的工作温度在1 0 0 以下，因 为如果温度超过1 0 0 之后，磁流变胶的成分发生了变化。 o o o o o o o o 0 8 7 6 5 4 3 2 l 第3 章磁流变胶流变性能的研究 3 6 本章小结 本章介绍了磁流变胶的流变性能的测试系统以及磁流变胶流变性能的一些参 数。通过应力扫描实验对各个铁粉含量的磁流变胶样品的静态剪切屈服应力进行 了测试，结果表明：磁流变胶的静态剪切屈服应力与磁场近似线性关系，并且随 着铁粉含量的升高而升高，但是静态剪切屈服应力与铁粉含量并不成线性关系。 通过测试不同磁场下各个样品的流动曲线得出磁流变胶的表观粘度随着铁粉含量 的增大而增大，并且剪切应力与随着铁粉含量和剪切速率的增大而增大，但是铁 粉含量对零场表观粘度与剪切速率之间的变化规律影响并不大。通过实验发现明 胶含量对零场粘度有较大影响，在较高剪切速率下表观粘度与明胶含量呈线性增 长关系。通过温度实验发现磁流变胶的粘度随着温度的升高会出现三个变化过 程，在温度较低时磁流变胶随着温度的升高出现稀化现象，随着温度的继续升 高，则呈现出牛顿流体的特性，随着温度的进一步升高，磁流变胶中的水份被蒸 发，粘度上升，呈现出增稠的现象。 2 8 第4 章磁流变胶流变行为分析 第4 章磁流变胶流变行为分析 4 1 常用流变学模型 在磁流变材料的研究内容中，其流变行为分析是一项重要的工作。国内外很 多学者对磁流变液的流变行为进行了深入的分析。目前常用的描述其流变行为的 模型有：宾汉塑性模型( b i n 曲锄p l a s t i cm o d e l ) ，修正塑性模型( b i v i s c o u s r n o d e l ) 和h e r s c h e l b u l k l e y 模型( h e r s c h e l b u l k l e ym o d e l ) 。w e r e l e y 等人( c h o i yt ，c h oju ，c h o isb ，w e r e l e yn m ，2 0 0 5 ，w e r e l e ynm ，c h oju ，c h o iyt ，e ta 1 ， 2 0 0 8 ) 对磁流变阻尼器在不同的剪切工作模式进行了比较系统的研究，系统的讨 论了在平行平板剪切，同心圆筒剪切和平行圆盘剪切模式下的各个流变学模型的 参数。本章尝试采用宾汉塑性模型和h e r s c h e l b u l k l e y 模型( 以下简称为h b 模型) 分别表征磁流变胶在不同磁场下的流变行为。 4 1 1b i n 叠h a m 模型 b i n g h a m 模型是目前在磁流变液研究领域中应用最广泛的流变学模型，其表 达式如( 1 ) 式所示： 其中：勺为剪切屈服应力，7 7 0 为塑性粘度，夕为剪切速率。在磁场作用下剪 切屈服应力和塑性粘度都可以由磁场控制。在宾汉模型中，材料屈服前是固体， 屈服后则是牛顿流体，因此宾汉塑性模型比较适用于描述屈服流动后为牛顿流体 或者近似牛顿流体的流变行为。图4 1 为理想宾汉流体的剪切应力与剪切速率的关 系图( f e l tdw ，h a g e n b u c l l l em ，l i uj ，1 9 9 6 ) 。 p 啪磁 第4 章磁流变胶流变行为分析 霎r ， 湃 。 曩 。 曩 s h e a r r a t e ， 图4 1 磁流变液的理想宾汉塑性流变行为 4 1 2h e r s c h e l b u l l l e y 模型 随着磁流变液研究的深入，f e l t 等人( 1 9 9 6 ) 发现宾汉模型并不能很好的描 述很多实验结果，因为很多磁流变液在受到持续剪切作用时会产生剪切稀化，为 了可以更好的描述这些存在的剪切稀化现象，m 酞s m e i e r 等( 1 9 9 8 ) 、w 勰g 等 ( w a n gx ，g o r d a n i n e j a df ，1 9 9 9 ，w a i l gx ，g o r d a l l i n e j a df ，2 0 0 0 ) 和w e r e l e y 等人 ( 2 0 0 0 ) 建议使用h b 模型来描述其流变行为。 h b 模型如( 2 ) 式所示： f 2 o + 膨8 ( 2 ) 【尹= o 其中：f ，为剪切屈服应力，k 为流体的稠度指数，n 为流体的流动指数，尹为剪 切速率，k 的量纲由n 确定，户为剪切速率。n 的大小代表流体的流动特性，当n 大子l 时，此时的流体呈现剪切增稠特性，当n 等于l 时为牛顿流体，n 小于i 时为剪切稀化流体。当n 为l 时，h b 模型即退化为b i n 曲锄模型。 事实上h - b 模型与宾汉模型中屈服流动后的剪切应力是由两项掏成的，剪切 屈服应力和粘滞力。对于这二者中的剪切屈服应力都为动态剪切屈服应力，并没 有质的区别。它们的主要区别在于粘滞力项，宾汉模型是基于牛顿流体的，其粘 度是一个常数，与剪切速率无关。但是在h b 模型则是基于幂律定律，其粘度与 剪切速率有关并符合幂律定律。这也是导致这两个模型应用范围不同的原因所 在。 图4 2 为8 0 铁粉含量的磁流变胶的剪切应力和剪切速率关系曲线，采用对 数一线性坐标轴，图中点为磁场为o 、2 6 7 和5 7 1 l 洲m 的情况下当剪切速 率变化时测得的剪切应力值，三条实线为用h b 模型对实验数据进行分析的结 果，三条虚线则是使用宾汉模型对实验数据进行拟和的结果。当剪切速率从l s q 增大到1 0 0 s 0 时在零场下磁流变胶