磁流变弹性体膜的力学性能及其应用研究

发布时间：2020-11-14 15:57

　　 磁流变弹性体(Magnetorheological elastomer,MRE)膜是一种薄膜状的MRE,其属于智能材料的范畴。传统MRE主要是通过在橡胶基体中掺杂铁磁性颗粒制备而成,其具有刚度可控,机械性能优异等特点,常被应用于减振隔振,地震防护等领域。在实际工程应用中,加载MRE时常会对MRE产生一定的预应力,然而目前对此工况下MRE的性能研究还处于空白。此外,由于传统MRE的厚度较厚,其可拉伸性和可弯曲性都较差,不利于MRE在某些特定领域的应用。因此,研究者研制出一种薄膜状的MRE——MRE膜,该材料具有优异的可拉伸性,可弯曲性和磁控特性。本文利用实验方法研究了 MRE膜的全场磁控变形,深入研究了 MRE膜的吸声性能,设计了基于MRE膜的致动器,初步探索了 MRE膜的智能应用。本文主要的研究内容如下:1.研究了不同CIP含量MRE在预应力作用下的力学性能,通过理论推导提出了 MRE力学性能的机理模型。随着预应力的增加,MRE的零场模量、磁致模量和最大模量都呈现先增加到最大值然后再减小的趋势,这个过程中MRE与转子的接触可以分为三个区间,即非完全接触区间、完全接触区间和过载区间。对于完全接触区间,施加预应力可以改变颗粒间距,从而改变MRE的宏观力学性能。为了研究MRE在完全接触区间的力学性能,基于理论推导,提出了 MRE在完全接触区间的力学模型,该模型与实验结果吻合较好,利用该模型能够预测MRE在完全接触区间的力学性能。2.利用数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)和激光多普勒测速(Laser Doppler velocimetry,LDV)方法研究了 MRE膜在自由和固定边界条件下的变形特征。研究发现,MRE膜在自由和固定边界条件下的变形分别呈月牙状和碗状,当撤去磁场时,MRE膜能够迅速恢复到初始状态。DIC与LDV方法所得结果基本一致,当电流为1 A、2 A和3 A时,其最大变形分别为0.10 mm、0.33 mm和0.63 mm。利用有限元分析方法粗略计算了 MRE膜在3 A电流下的内应力和内应变,其最大值分别为33 kPa和2.3%,研究表明MRE膜的变形仍处于弹性变形范围内,其变形稳定可控。3.研制了 MRE 膜吸声结构(MRE 膜-based sound absorbing structure,MRE膜-SSS),利用DIC方法分析了 MRE膜-SSS中MRE膜的变形特征,并进一步研究了 MRE膜-SSS的吸声性能。电流越大,MRE膜的变形越大,MRE膜-SSS 的最大吸声频率(Maximum sound absorption frequency,MSAF)也越大。增加CIP含量能够增强MRE膜在磁场下的变形能力,同时增强MRE膜-SSS的MSAF受磁场改变的能力。在不加电流情况下,增加CIP含量能够有效减小MRE膜-SSS的MSAF。减小薄膜厚度能增强MRE膜-SSS的MSAF受磁场改变的能力。同时薄膜厚度越小,MRE膜-SSS的MSAF和最大吸声系数均越大。4.利用MRE膜和聚偏氟乙烯(PVDF)膜研制了薄膜状的MRE膜致动器,研究了其磁-力-电耦合性能,通过理论推导建立了其磁-力-电耦合模型,并设计了基于MRE膜致动器的智能抓手。MRE膜致动器对振幅非常敏感且重复性好。实验和理论研究表明,MRE膜致动器的纯弯曲感应电荷与PVDF膜的变形角度呈正比关系。利用MRE膜致动器研制的智能抓手能够在磁场控制下抓取、运输和释放超过自身重量3倍的物体,同时其触角的变形能够被实时测量并反馈至计算机。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB381
【部分图文】：

在线性运动器件的基础上，研宄者开发出了旋转器件。其中ＭＲＦ制动器就??属于典型的旋转器件。最初的ＭＲＦ制动器被设计用于有氧运动健身器材上，随??后被逐渐应用于其他行业如图１．３所示，ＭＲＦ制动器主要包括转子、定子、??线圈和ＭＲＦ［２６］。ＭＲＦ制动器具有鼓型、倒鼓型、Ｔ型、盘型、多盘型等型号网，??其中最常用的是盘型ＭＲＦ制动器。当线圈通入电流时，磁场能够减小转子旋转??的角频率，从而提供相应的制动力。美国Ｌｏｒｄ公司研制的ＭＲＦ制动器己经能够??提供较大的制动力，同时在小电流供应下平稳运行。这类ＭＲＦ制动器一般工作??在剪切模式下，其制动效果受磁场强度、有效面积、间隙、旋转速率等因素影响。??另一个常用的旋转器件是ＭＲＦ离合器，其可以用作汽车中发动机与辅助设备间??的辅助动力传输装置［２８］。??４??

ＭＲＦ器件能够用于控制各种各样的线性和旋转运动Ｐ１。由于ＭＲＦ器件??能够产生较大的阻尼力并能够受磁场控制，其在桥梁方面具有非常大的应用前景。??如图１．４所示，荷兰的Ｅｉｌａｎｄ大桥已经采用ＭＲＦ阻尼器作为重要的减振元件［３８］。??重庆大学的余淼［３９］等人利用ＭＲＦ阻尼器研制了一套汽车悬挂系统，该悬挂系统??刚度可调，其性能高于传统悬挂系统。香港中文大学的高飞［４（１］等人设计了基于??ＭＲＦ阻尼器的人体假肢，该假肢能够在磁场作用下帮助身体有缺陷的人进行自??由活动，同时提供足够的支撑。纽卡斯尔大学的Ｌｉｕ等人介绍了一种基于ＭＲＦ??的触觉装置，该装置能够通过表面力来反映磁场的大小，同时该装置非常稳定且??可重复性高。??

（ａ）?（ｂ）??图１．３典型的ＭＲＦ制动器结构（ａ）示意图和（ｂ）实物图［２６】??此外，ＭＲＦ还可以用来制备抛光器件。ＭＲＦ抛光器件采用流体动力学方法??进行抛光，其克服了传统抛光技术的许多缺点，已经被越来越多的研究者关注［２９】。??ＭＲＦ抛光器能够清除物体表面凸起，使物体表面光滑平整。目前ＭＲＦ抛光器己??经应用于光学玻璃、陶瓷、塑料和一些非磁性材料的抛光处理［２９］。ＭＲＦ也可以??用来制作ＭＲＦ液压阀，将ＭＲＦ作为工作媒介通过阀的控制来驱动致动器＠１。??ＭＲＦ液压阀主要由线圈、液压管道、ＭＲＦ等构成，当对绕组施加电流时，气缸??内的压力会发生变化随即带动活塞发生相应的位移［？。ＭＲＦ的另一个应用是进??行密封，Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉ?ｅｔ?ａＰ］于１９９６年提出将ＭＲＦ当做密封媒介对物品进行密封。??通过控制磁场的大小，能够控制ＭＲＦ的粘度，进而在需要密封的空隙中形成密??封圈
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 杨彬;严玉洪;李赟婷;喻泽良;;自然老化PVDF膜材单轴力学性能的试验研究[J];建筑材料学报;年期

2 武卫莉;陈喆;;硅橡胶/氟橡胶并用胶的制备及力学性能[J];高分子通报;2017年09期

3 李鸿玮;;城市生活垃圾的力学性能测试探讨[J];高考;2016年27期

4 贺向清;;当前力学性能测试技术发展概况[J];科学家;2017年11期

5 王从祥,刘仙山,龙满林;预退火处理对奥贝球铁力学性能的影响[J];热加工工艺;2003年01期

6 梅兴波;织物力学性能研究的神经网络方法[J];北京纺织;2000年04期

7 ;力学性能二级人员取证复习参考题(之三)解答[J];理化检验(物理分册);1998年04期

8 ;力学性能二级人员取证复习参考题(之一)解答[J];理化检验(物理分册);1997年12期

9 王松林;;船轴的热处理及其力学性能[J];大型铸锻件;1987年03期

10 马眷荣;黎晓瑞;赵宏;金宗哲;;ZrO_2/Al_2O_3陶瓷的力学性能评价Ⅰ:高温弹性模量[J];建筑材料科学研究院院刊;1987年01期

相关博士学位论文 前10条

1 冯佳宾;磁流变弹性体膜的力学性能及其应用研究[D];中国科学技术大学;2018年

2 郑云;p型碲化铋基热电材料的制备及力学性能研究[D];武汉理工大学;2015年

3 陈洪胜;高含量B_4C/6061Al复合材料及焊接接头组织和力学性能研究[D];太原理工大学;2016年

4 冯雷;注射CVD生长CNT改性C/C复合材料结构和力学性能[D];西北工业大学;2016年

5 范益;Q500EHPS桥梁钢力学性能和耐蚀性能的调控研究[D];燕山大学;2017年

6 李传鹏;纳米碳化硅颗粒增强镁基复合材料的粉末冶金法制备及其力学性能[D];吉林大学;2017年

7 刘侃;基于面料力学性能的服装缝纫平整度等级客观评价系统的建立[D];东华大学;2005年

8 武德珍;高强高韧PPO/PA6合金的力学性能—亚微相态—群子参数之间关系的研究[D];北京化工大学;1999年

9 谷长栋;电沉积纳米结构镍及镍钴合金的微观结构和力学性能[D];吉林大学;2007年

10 焦传梅;无卤阻燃EVA、POE及其交联改性复合材料的制备和性能研究[D];中国科学技术大学;2007年

相关硕士学位论文 前10条

1 霍志伟;废旧ABS/PBT共混物的力学性能和相容性研究[D];中北大学;2018年

2 刘雄波;铝/钢连续驱动摩擦焊焊接界面行为及力学性能研究[D];兰州理工大学;2018年

3 郑梗梗;电塑性效应对FSP AZ31镁合金组织性能影响[D];西安石油大学;2018年

4 张文鑫;心血管支架用可降解Mg-Zn-Y-Zr-Ca合金组织及力学性能研究[D];太原理工大学;2018年

5 曾航航;Al对含长周期堆垛有序结构Mg-Gd-Zn-Ca合金组织与力学性能的影响[D];太原理工大学;2018年

6 孙雪飞;多尺度SiC_p /AZ91复合材料的显微组织及力学性能研究[D];太原理工大学;2018年

7 南洪尧;玻璃纤维/环氧树脂复合材料力学性能研究[D];太原理工大学;2018年

8 章凯;挤压工艺对Mg-3Al-3Zn-3Ca合金微观组织和力学性能的影响[D];湖南大学;2017年

9 刘义帆;离体保存对脑组织力学性能的影响研究[D];大连理工大学;2017年

10 黄伟敏;沙漠砂锂渣聚丙烯纤维混凝土力学性能及耐久性试验研究[D];新疆大学;2017年

本文编号：2883653