磁敏颗粒夹杂复合软材料与结构的多场性能实验表征及耦合行为研究

发布时间：2020-03-18 07:54

【摘要】：作为近些年新兴的一类电磁智能材料,磁敏颗粒夹杂复合软材料具有非接触、远程、磁场可调控的力学与力磁耦合特性,特别是在外场作用下可产生快速、可逆、超大变形,使其在智能驱动与传感、主动减震降噪、仿生机器人等现代高新技术领域表现出诱人潜力和应用前景。由于该类复合材料的主要承载体是具有软物质特性的橡胶类高分子聚合物材料,其磁控力学响应与力磁耦合性能更易受夹杂相的磁学特性、微结构分布特征以及外加磁场、温度等环境因素的影响。深入探究与磁敏颗粒夹杂复合软材料基础力学性能相关联的主要影响因素与多场行为,是该类智能复合材料多场性能表征和揭示耦合行为机制的基础与核心课题。基于基础实验测试、理论与数值分析等手段与方法,本文较系统地制备并表征了不同组分比、不同磁性磁敏颗粒夹杂复合软材料与结构在均匀、非均匀磁场以及温度场下的基本性能。在此基础上,提出和设计了两类新型的磁敏颗粒夹杂复合软材料的智能微结构,并深入开展了多场下的耦合行为与特征研究。1、基于胶料、交联剂以及磁敏颗粒混合的制备工艺,成功制备了性能稳定的含有不同粒径羰基铁粉的复杂多相材料,开展了相关的力磁性能实验表征。进一步,将描述聚合物材料循环变形的本构关系推广应用于磁敏颗粒夹杂复合软材料在磁场下的加、卸载变形行为研究,较好地解释了加、卸载过程中的力磁行为。其次,针对不同磁学特性铁粉、钴粉混合的多相复合材料,分析了材料微结构、热稳定性等基本性能,并探讨了其力磁耦合性能。相关结果解释了夹杂相对材料性能的影响机制,并为充分发挥材料的特性及提高性能作出了可供参考的依据。2、针对外加非均匀磁场中的磁敏颗粒夹杂复合软材料,实验研究了梯度磁场分布对其准静态剪切性能和动态粘弹特性的影响规律。基于磁偶极子理论模型分析了材料力学行为的磁场依赖机制,进一步提出并发展了一种新的、简单、有效表征磁致粘弹力学特性的方法—轴向共振法。基于提高磁场利用效率和一体化设计思想,将线圈埋置于复合软材料内部用于产生局部高梯度磁场,制备了驱动与响应一体化的磁敏智能复合材料。测试结果表明:该系统具有双向驱动、高磁流变效应的显著性能,对于一些高效、微驱动与响应结构的设计与应用具有重要指导意义。3、磁敏颗粒夹杂复合软材料的主要组成部分往往具有温度敏感性。为此,基于研究组研制的低温力学多场测试系统,扩展了背景磁场和温控功能,开展了温度与磁场共同作用下复合材料多场性能和准静态剪切力学响应的实验研究。通过综合考虑磁场、温度对磁势能和应变能的影响,建立了一描述剪切变形模式下磁敏复合软材料多场行为的超弹性本构模型,含有较少材料参数且模型参数具有明确物理意义并可实验测得;模型的理论预测结果与实验吻合良好,实现了力-磁-热多场共同作用下磁敏颗粒夹杂复合软材料剪切行为的有效表征与预测。4、首次设计和研制了一种具有响应迅速、可逆大变形和多环境适应性的磁驱动花瓣状微结构。从实验和理论分析两个方面,开展了该智能柔性微结构在外磁场驱动下的力学响应和力磁耦合特征研究,测试并实现了该微结构不同液体环境中对不规则形状与软表面物块的抓取和搬运,可拓展应用于非接触、远程磁场驱动的柔性机械操纵平台。进一步,提出了一种磁驱动的柔性仿生鱼概念模型,建立了仿生鱼磁-流-固多场耦合行为的数值模型并进行了定量仿真研究,探讨了仿生鱼在外加磁场驱动下的运动模式与机制。相关结果可望为该类仿生器件在智能远场驱动、药物输送等领域的潜在应用提供理论指导。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

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