天然橡胶基磁流变弹性体的研制与表征

磁流变弹性体又称磁敏高弹体，是一种由高分子聚合物和磁性颗粒构成的新型智能材料，它的力学、电学、磁学等诸性能可以由外加磁场来控制，因此磁流变弹性体在舰船、振动控制等领域具有广泛的应用前景。但目前国际上研制的磁流变弹性体存在机械性能不够好和磁致效应不够强的问题，这制约了基于磁流变弹性体器件的设计和应用。为了制备出实用型磁流变弹性体，本文对其制备条件进行了研究，包括基体类型、预结构化时磁场强度和温度、增塑剂和磁性颗粒含量对磁流变弹性体磁致效应的影响。结果表明，以天然橡胶为基体的磁流变弹性体，在高于600mT外加磁感应强度下，当磁性颗粒含量为80％（质量比）时，剪切模量的相对增量达133％；而当磁性颗粒含量为90％时，剪切模量的绝对增量达4．5MPa。本文还对磁流变弹性体应用环境进行了实验研究，结果表明磁流变弹性体在小应变下显示出更强的磁致效应，而激励频率不改变材料的磁致模量。     

磁流变弹性体若干物理量的数值分析

应用有限元方法,考虑了颗粒的磁化饱和过程与非线性磁化过程,计算得到了磁流变弹性体中的磁场分布,进而研究了在不同磁场大小、不同颗粒体积比浓度下磁流变弹性体在成链方向的相对磁导率,计算结果和实验结果取得了一致。利用Maxwell应力张量,计算了磁场引起的磁流变弹性体的附加剪切模量。分析了颗粒体积比浓度、外加磁场对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。研究了颗粒为旋转椭球形状时,颗粒的放置方式与其长短轴之比对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。计算结果表明,磁流变弹性体的相对磁导率随颗粒体积比浓度的增大而增大,随磁场强度的增大而减小,颗粒的形状和放置方式对磁流变效应有很大的影响。     

考虑强结合界面的磁流变弹性体力学性能分析

磁流变弹性体是将铁磁性颗粒填充到非磁性的聚合物基体中,通过固化作用形成的柱状或链状结构。目前,研究磁流变弹性体的力学模型主要是磁偶极子模型以及修正的磁偶极子模型。这些模型考虑了颗粒之间的相互作用,但尚未涉及颗粒和基体之间的相互作用。本文在考虑颗粒和基体相互作用的基础上,基于剪滞法理论计算出强结合界面磁流变弹性体模量和阻尼特性。通过实验制备硅橡胶基的磁流变弹性体,并在应变幅值较小时测试其剪切储能模量和阻尼因子,详细分析不同的应变幅值和磁场强度对磁流变弹性体性能的影响。理论结果与实验结果相符,验证了本文关于强结合界面性能分析的正确性。     

磁流变弹性体剪切性能的动态实验研究

简述了一种磁流变弹性体(MRE)剪切性能的动态测试装置,其主要结构是由一块磁流变弹性体和一个质量块组成的单自由度振动系统。在磁场作用下,磁流变弹性体的力学性能发生相应的改变。通过该装置测出有场下的MRE受剪切激励后的自由衰减特性,并建立理论模型,从而间接得到剪切模量G(BMRE)和材料损耗因子βm(BMRE)。这样的处理方法使得实验条件得到简化且不依赖于初始激励状态。所得到的剪切模量的变化性能与文献中报道的一致(在没有达到磁饱和的条件下,剪切模量随外加磁场的变化而改变),但剪切模量的改变量是零场下剪切模量的60%,磁控性能也有所提高,并得到了材料损耗因子。     

磁敏智能软材料及磁流变机理

磁敏智能软材料是一类将微米或纳米尺度的磁性颗粒分散在不同基体中制备而成的多功能复合材料.由于其流变性能在外磁场的调控下可以实现连续、快速、可逆的改变,因此在建筑、振动控制和汽车工业等领域得到了广泛地应用.本文首先介绍了磁敏智能软材料发展历史及分类,分析了不同种类的磁敏智能软材料的特点和存在的科学问题;然后从实验和理论两个方面讨论了磁流变机理的研究现状;最后从实际应用的角度对这类材料未来的发展方向进行了展望.      

磁流变弹性体自调谐式吸振器及其优化控制

本文研制了一种基于磁流变弹性体的自调谐式吸振器,它利用磁流变弹性体这种新型智能材料作为吸振器的弹性元件和阻尼元件,通过外加磁场控制磁流变弹性体的剪切模量来改变吸振器的固有频率,实现吸振器的移频.并将遗传算法改进移植到吸振器,对其进行优化控制.实验结果表明,这种遗传算法具有全局搜索和快速收敛的特点,它能使吸振器快速找到吸振器减振效果最佳点,并且经过优化控制的磁流变弹性体自调谐式吸振器在移频范围内具有很好的减振效果,减振效果最高可达25dB.     

磁流变弹性体自调谐式吸振器及其优化控制

本文研制了一种基于磁流变弹性体的自调谐式吸振器，它利用磁流变弹性体这种新型智能材料作为吸振器的弹性元件和阻尼元件，通过外加磁场控制磁流变弹性体的剪切模量来改变吸振器的固有频率，实现吸振器的移频。并将遗传算法改进移植到吸振器，对其进行优化控制。实验结果表明，这种遗传算法具有全局搜索和快速收敛的特点，它能使吸振器快速找到吸振器减振效果最佳点，并且经过优化控制的磁流变弹性体自调谐式吸振器在移频范围内具有很好的减振效果，减振效果最高可达25dB。     

磁致伸缩薄膜力学行为的有限元仿真研究

建立了一种磁致伸缩薄膜力学行为的有限元计算方法.该方法将磁致伸缩薄膜在磁场中的形变行为等效为薄膜在热场中的各向异性热膨胀形变行为,基于该等效模型,利用有限元软件计算了磁致伸缩薄膜悬臂梁的力学行为与外加磁场的关系.结果表明,该方法可有效模拟磁致伸缩薄膜在外磁场下的力学行为.     

分析磁流变流体屈服应力微观力学模型

剪切屈服应力是磁流变流体固化强度的重要指标之一,具有重要的工程意义。基于磁性物理学理论,从磁流变流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屈服应力及其影响因素的作用效果,揭示磁流变效应的微结构机理,为磁流变流体的性能优化、工程开发及应用磁流变流体提供理论依据。     

磁致伸缩主被动隔振装置中的磁机耦合效应研究

磁致伸缩材料和柔顺位移放大机构组成的主动驱动装置具有精度高、驱动力大等特点.将其与被动隔振装置并联,形成主被动隔振装置,可以弥补纯被动隔振在低频和微幅扰动工况下的不足.本文针对这类磁致伸缩主被动隔振装置进行磁机耦合效应研究.基于Jiles-Atherton模型,分析了磁致伸缩材料所受应力对有效磁场、磁化强度、磁致伸缩系数和材料杨氏模量的影响,表征了材料磁机耦合效应.在此基础上,建立了主被动隔振装置的动力学模型,分析了主动驱动装置与被动隔振装置间的耦合作用.在耦合作用影响下,若被动隔振装置刚度不同,即使输入磁场相同,驱动器产生的驱动位移和驱动力也不相同.磁致伸缩材料的变刚度效应使隔振装置整体等效刚度不再为定值,从而影响被动隔振效果.本文提出了通过柔顺机构参数设计减小前述两种耦合影响的方法.数值仿真结果表明,磁致伸缩主被动隔振装置在低于、接近和高于谐振频率三类扰动下,都能达到比被动隔振更好的振动抑制效果.此外,仿真结果验证了考虑磁机耦合效应的数值模型具有更高精度.      

铁磁形状记忆合金双轴向力-磁耦合实验研究

对磁场和应力场共同作用下的单晶铁磁形状记忆合金的力学特性进行了实验测试与分析,分别获得了单晶Ni\-2MnGa试样在不同的压应力时、两个不同角度的磁场作用下的磁场-应变曲线。结果表明,当磁场垂直于应力时,磁场方向的磁致应变要远小于应力方向的磁致应变;当磁场平行于应力时,磁场方向的磁致应变要小于垂直于磁场方向的磁致应变,其磁致应变滞后环的面积远小于磁场垂直于应力时的滞后环面积。这为铁磁形状记忆合金在工程中的应用提供一定的指导作用。     

磁场下2种羰基铁磁流变液的摩擦磨损特性

本文采用改进后的四球摩擦磨损试验机,考察了羰基铁磁流变液在外加磁场条件下的摩擦磨损行为,并比较了有场和无场条件下磁流变液的摩擦系数变化情况。结果表明：外加磁场能使磁流变液的摩擦系数显著增大,且磁流变液的摩擦系数随磁场强度的增加呈现出增大的趋势;钢球磨斑形貌由圆形或椭圆形变为近似矩形,磨痕变浅;无场条件下,系统的摩擦磨损形式是钢球、磁性颗粒、钢球之间的三体磨损;外加磁场时,磁流变液的摩擦磨损形式发生改变。     

考虑膜厚影响薄膜磁致伸缩系数、泊松比和杨氏模量的同时测量

基于经典层合板理论,建立了一个能同时测量薄膜-基底系统中薄膜的磁致伸缩系数、杨氏模量和泊松比的板模型.以前的研究计算薄膜磁致伸缩系数时,大多假设薄膜的弹性属性与相应的块材一致,由此导致的磁致伸缩系数计算是不准确的.在目前大多数方法中仅仅在使用一个单一的弹性各向同性基底中能够避免这个问题.该文模型在各向异性基底下同样适用,并且不要求薄膜的厚度远远小于基底厚度,因此也能够用来计算磁致伸缩应变和设计微电机械系统和生物微电机械系统.对已有的铁基非晶薄膜的实验数据,在不同磁场强度下,磁致伸缩系数的计算结果与已有模型进行了比较,它们之间的差异得到了解释.同时,还可以得到薄膜的弹性常数.     

介电流变弹性体的电致变形与电流变效应研究

介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)具有显著的电致变形效应,刚度无法调控是制约其应用的关键瓶颈问题.本文将具有电致变模量特性的电流变弹性体(Electrorheological Elas-tomer,ERE)与商用介电弹性体VHB4910层叠复合,并涂覆柔性电板,制备介电流变弹性体(Dielec...     

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构,由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性,在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而,磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在,极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟,发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应,铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应,使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明,基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应,通过优化设计复合材料中不同组元的结构,可以实现拓扑磁结构的力学调控,从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构,由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性,在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而,磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在,极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟,发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应,铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应,使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明,基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应,通过优化设计复合材料中不同组元的结构,可以实现拓扑磁结构的力学调控,从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

平行微裂纹削弱的弹性体的各向异性有效性能与双周期裂纹模型

平行微裂纹损伤模型被用于构建各向异性损伤理论.当施加在代表性体积单元上的边界条件满足Hill条件时,基于平均场理论论证了由平行穿透裂纹损伤的弹性体仅有6个独立有效弹性常数.除了原各向同性基体的2个弹性常数外,与损伤相关的另外4个常数中,3个描述有效弹性常数的折减,1个描述损伤导致的拉剪耦合效应.结合单胞模型和有限元方法分析了双周期阵列平行裂纹问题,数值结果显示:裂纹呈一般双周期阵列时,拉剪耦合参数相比其它模量小很多;当裂纹密度一定时,改变裂纹的排列形式,面内剪切模量和面外剪切模量的折减呈现出不同的规律.     

钢绞线中激励纵向模态的磁致伸缩型激励及接收器的选型

为在钢绞线中有效激励和接收纵向模态超声导波,对磁致伸缩型传感器的敏感元件螺线管的结构进行了优化,并进行了试验验证.首先,对利用磁致伸缩效应在钢绞线中激励及接收纵向模态超声导波的方法进行了分析,选用频率160kHz的L(0,1)纵向模态作为用于公称直径17.8mm的7芯钢绞线检测的导波.设计制作了激励该模态专用磁致伸缩型传感器.经过对结构和绕向不同的螺线管进行比较后,选取3段式螺线管作为磁致伸缩型传感器的敏感元件.为证实其检测能力,利用该传感器对钢绞线外围钢丝上的人工缺陷进行了检测,通过得到的实验信号可以很好确定缺陷位置.本文的研究为今后进一步检测钢绞线的健康状况奠定了基础.     

磁致伸缩作动器的电-磁-机耦合动力特性

基于磁致伸缩材料的本构关系模型,结合磁致伸缩作动器结构动力学模型建立了可描述磁致伸缩作动器的电-磁-机耦合动力特性的运动方程.方程中考虑了作动器工作时磁致伸缩材料的弹性模量随着应力和磁场的改变而发生的变化,磁致伸缩材料的这种特性使得作动器系统表现出具有时变刚度的参数振动特性.通过对此参数振动方程进行数值求解,得到磁致伸缩作动器的参数频响特性,并研究了激励电流幅值以及作动器负载质量对作动器频响特性的影响.     

MoSi2增强镍基合金复合材料的摩擦磨损性能研究

采用真空热压法制备MoSi2增强镍基合金复合材料,并考察了其在室温下同Si3N4陶瓷球配副时的摩擦磨损性能.结果表明:加入MoSi2增强相可以显著提高镍基合金复合材料的显微硬度及其摩擦磨损性能;当添加MoSi2质量分数为30%时,复合材料的显微硬度最高、磨损率最低;当MoSi2质量分数分别为20%时,复合材料的摩擦系数最小;随着MoSi2含量增加,复合材料的磨损机理逐渐由塑性变形向脆性微断裂转变,其原因在于MoSi2硬质颗粒对镍基合金基体具有明显的弥散强化效应,并能够在摩擦磨损过程中起到有效的承载作用.为了保证镍基合金复合材料的摩擦磨损性能处于最佳状态,MoSi2增强相的最佳含量应控制在30%.