磁流变弹性体的力电磁耦合特性研究

发布时间：2018-03-02 20:03

本文选题：磁流变弹性体　切入点：机械性能　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：磁流变弹性体(MRE)是一种智能材料,类似于其他磁流变材料,它同样是通过将铁磁性颗粒分散到载体中制得。不同的是,MRE是用橡胶类的固态基体来代替液体或者胶体等其他基体,因此具有性能稳定、弹性模量高等优势。当外部磁场施加到MRE上时,其机械性能响应可以得到快速并且可逆的精确控制。由于这种独特的磁流变行为,MRE在振动控制,建筑结构,降噪等领域具有广泛的应用。MRE的微观结构,特别是方向、直径、链的长度以及颗粒和基体之间的界面,都对其力学行为起着至关重要的作用。但是,力学行为表现往往相对于微观结构变化有着滞后性。实际应用中往往通过力学性能评估材料的寿命,但是这种方法并不是实时的,并且在测试期间还会损坏MRE的微观结构。考虑到导电的铁颗粒是MRE最常用的铁磁性颗粒,因此MRE具有典型的导电高分子复合材料的压电特性,电学性能对外部刺激引起的结构变化十分敏感。除此之外,MRE疲劳引起的微观结构破损等问题也能通过对电学性能的测试表征反映出来。因此,本文研究了 MRE在力、电、磁等激励下的电学性能,并对力电耦合的耐疲劳特性进行了研究。为了提高MRE不同方向上的力学性能和电学性能,利用亚麻编织纤维层对MRE基体进行了增强。具体研究内容如下:1、研究了 MRE样品在不同机械加载和磁场加载下的阻抗变化。利用阻抗谱技术,对材料的电学性能进行表征。定义了系数Rd来表征微观结构损坏。在建立等效电路之后,对所有的电路元件部分都进行了表征和分析,与其物理意义进行了一一对应。针对电学性能测试中的预加载条件,提供了一种可能的加载依据。研究结果表明界面层上微小的变化或者损伤对MRE阻抗谱变化影响很大。根据实验结果,提出了一种新的快速无损的方法表征微观结构变化程度。2、研究了 MRE样品在不同疲劳载荷下的阻抗变化。与力学特性相同,由于微观结构的变化,MRE的电学特性随负载循环而变化。电容的曲线随着循环次数的增加,可以被分成四个部分。磁场强度越大,这个现象越明显。在电性能和力学性能之间发现耦合效应,曲线的平台段对应于MRE的屈服阶段。除此之外,研究了力学和电性能对循环加载的依赖性,并讨论了详细的机理。通过对阻抗谱的分析,MRE磁致收缩和界面破损等结构变化均能反映出来。由于测试过程的简便性,非破坏性的阻抗谱方法在实时检测MRE微结构的损伤和预测实际应用中的疲劳寿命中展现了很高的潜能。3、在对MRE力电耦合特型研究的基础上,将亚麻编织纤维层加入MRE来起到性能增强效果。纤维束之间的间隙可以被PDMS基MRE充分填满,并且基体与纤维结合良好。CI颗粒可以通过这种方法沿着纤维方向形成聚集链状结构。研究了不同的加载方向,FFW密度以及层数对FFW-MRE的机械和电学性能的影响。当平行于纤维层的方向时,MRE的导电性大大增加,而在垂直方向,材料的绝缘性以及电阻的可调范围大大提高。除此之外,讨论了结构形成和性能增强的机制。由于制造过程简单环保,因此对于扩大MRE的实际应用范围是一种潜在的方法。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB381

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