磁流变塑性体磁致力学行为及其微观结构演化机理研究

发布时间：2017-04-14 19:09

  本文关键词：磁流变塑性体磁致力学行为及其微观结构演化机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：磁流变塑性体是一类新型的磁敏智能软材料,其物理性质或力学性质可以通过外磁场进行调控。通常情况下,磁流变塑性体由将微米级磁敏颗粒掺杂到非磁敏的高分子聚合物基体中而制备得到。在无外加磁场时,磁流变塑性体表现为柔软的橡皮泥性状,其内部的磁敏颗粒由于基体的约束而均匀稳定地分散于基体中。但在有一定强度的外加磁场时,磁流变塑性体内部磁敏颗粒间产生的磁相互作用力能够使颗粒克服基体的约束而运动,并聚集形成一定形式的微观结构。伴随着磁流变塑性体微观颗粒聚集结构的形成和演化,其宏观电磁学、力学、热学、声学等方面的性质也会发生相应的变化,这使得磁流变塑性体在磁控阻尼器、吸振器、隔振器、激励器、传感器等减振降噪器件以及其它方面具有巨大的应用潜力。 目前,针对磁流变塑性体的研究正处于起步阶段,迫切需要进一步考察其磁致力学行为和探究相应的微观结构演化机理,这对深入认识磁流变塑性体的力磁耦合行为具有十分重要的意义。鉴于此,本文考察了磁流变塑性体的准静态磁致力学行为,建立了磁流变塑性体微观颗粒聚集结构的力学分析模型,揭示了磁流变塑性体宏观磁致力学行为与其微观磁敏颗粒聚集结构之间的关系,为进一步分析研究磁流变塑性体或其它磁流变材料宏观物理性质与其微观结构的关系奠定了基础。本文主要研究内容和相关研究结论如下： 首先,对磁流变塑性体在外磁场作用下的磁致变形和在静态约束条件下的磁致应力进行了考察,研究了磁流变塑性体在准静态循环剪切加载条件下的力学行为,发现磁流变塑性体具有较大的磁致变形效应和较高的磁致阻尼性能。研究表明：在无外磁场作用时,磁流变塑性体是一类低屈服强度、高粘度、具有较好塑性延展性的材料。磁流变塑性体在简单剪切加载下的力学行为可以用常规的粘塑性宾汉流体模型来描述,其剪切力学性能表现出明显的率相关效应。在有外磁场作用时,磁流变塑性体对外磁场具有非常敏感的响应特性,其在静态约束条件下的磁致应力能够通过外磁场在较大范围内进行调节,但磁致应力在外磁场加载过程中会出现不可预测的突然减小现象。外磁场强度和剪切率均对磁流变塑性体的剪切力学行为具有较大影响,磁流变塑性体的阻尼性能在有外磁场作用时会大幅度增强。此外,也可以看到,磁流变塑性体在循环剪切加载条件下的磁致法向应力会呈现出大幅值的周期性变化。 然后,对磁流变塑性体微观颗粒聚集结构进行了力学建模分析,并应用颗粒动力学方法,着重研究了磁流变塑性体在外磁场作用下其微观颗粒聚集结构的形成和演化过程,揭示了磁流变塑性体宏观磁致力学行为与其微观颗粒聚集结构之间的关系。研究中提出了相对简单易用的半经验公式,对常规的点磁偶极子模型进行了修正,使其更适合于近距磁性颗粒间磁相互作用力的计算。研究表明：在均恒外磁场作用下,磁流变塑性体内部颗粒聚集微观结构状态会经历初始的随机分布状态,随后不稳定短链结构状态,然后长链结构状态,最后达到稳定的簇状结构状态。伴随着磁流变塑性体内部颗粒聚集微观结构的形成和演化,磁流变塑性体的磁势能会出现急剧变化,并大幅度快速减小,随后逐渐趋于平稳,整个磁势能变化过程满足能量最低原理。同时,磁流变塑性体的磁致应力却是首先急速增大,然后逐渐趋于平稳的。在面内旋转外磁场作用下,磁流变塑性体内部的磁敏颗粒会聚集形成平行于外磁场旋转平面的分离式片层状结构。在空间变化外磁场的作用下,可以通过外磁场对磁流变塑性体的微观颗粒聚集结构进行调控,并且发现在外磁场多种变化方式下能够得到多种形式的微观颗粒聚集结构。与此同时,磁流变塑性体的磁势能和应力状态也会在微观颗粒聚集结构调控过程中发生激烈的变化,且磁势能和磁致应力变化越大的地方,体系内磁敏颗粒聚集结构的差异越明显。概括而言,研究表明磁流变塑性体宏观磁势能和应力状态的变化,是与其内部磁敏颗粒聚集微观结构的形成和变化过程直接相关的。 最后,针对不同磁性颗粒混合分散体系,本文建立了其微观结构的力学分析模型,研究了该分散体系在外磁场作用下其微观颗粒聚集结构的变化,预测了该分散体系相对于单一颗粒分散体系具有的磁致应力增强效应。研究表明：对于“顺磁-反磁”颗粒混合分散体系,在均匀外磁场作用下其内部颗粒会聚集形成二维网状结构或三维相互嵌入式链簇状结构。当分散体系内颗粒体积分数大于12.5%后,随着反磁颗粒比例的增加,分散体系不仅沿垂直外磁场方向的横向应力会大幅度增强,且沿外磁场方向的轴应力也会增强。横向应力的增强来源于顺磁链接构与反磁链结构的横向交替延伸作用,纵向轴应力的增强来源于同磁性颗粒链接构的贡献和不同磁性颗粒链结构间紧密并列吸附的贡献。此外,对于无磁和顺磁颗粒混合体系,无磁颗粒的加入会极大地影响颗粒体系的微观结构,减弱体系的静态磁致力学性能,同时也会对颗粒体系的动态力学性能产生较大影响。
【关键词】：磁流变塑性体 磁致力学行为 微观结构 颗粒动力学 循环剪切 混合颗粒体系
【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】：2015
【分类号】：O344
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 图目录14-18
• 表目录18-19
• 符号说明19-21
• 第1章 绪论21-41
• 1.1 引言21
• 1.2 磁流变材料概述21-33
• 1.2.1 磁流变液23-26
• 1.2.2 磁流变胶26-27
• 1.2.3 磁流变弹性体27-30
• 1.2.4 磁流变塑性体30-33
• 1.3 磁流变材料的微观结构模型33-38
• 1.3.1 磁流变液的微观结构模型33-35
• 1.3.2 磁流变弹性体的微观结构模型35-38
• 1.4 当前研究工作中存在的问题38-40
• 1.5 本文的研究目标和内容40-41
• 第2章 磁流变塑性体的磁致变形和磁致应力41-59
• 2.1 引言41
• 2.2 磁流变材料的磁致变形行为41-48
• 2.2.1 磁流变液的磁致性状变化41-44
• 2.2.2 磁流变弹性体的磁致伸缩效应44-46
• 2.2.3 磁流变塑性体的磁致形貌变化46-48
• 2.3 磁流变塑性体在约束情况下的磁致应力48-58
• 2.3.1 均匀外磁场作用下的磁致应力49-55
• 2.3.2 非均匀外磁场作用下的磁致应力55-58
• 2.4 本章小结58-59
• 第3章 磁流变塑性体在准静态剪切加载下的力学行为59-77
• 3.1 引言59
• 3.2 准静态简单剪切下的力学行为59-62
• 3.2.1 无外磁场作用下的简单剪切力学行为59-60
• 3.2.2 有外磁场作用下的简单剪切力学行为60-62
• 3.3 无外磁场作用下的准静态循环剪切力学行为62-69
• 3.3.1 准静态循环剪切63-65
• 3.3.2 颗粒含量对比65-66
• 3.3.3 剪切速率对比66-67
• 3.3.4 剪切幅值对比67-68
• 3.3.5 小幅值剪切条件下的力学行为68-69
• 3.4 有外磁场作用下的准静态循环剪切力学行为69-73
• 3.4.1 磁场强度对比69-70
• 3.4.2 剪切速率对比70-71
• 3.4.3 小幅值剪切条件下的力学行为71-73
• 3.5 准静态循环剪切加载下的法向约束应力73-76
• 3.5.1 大幅值剪切条件下的磁致法向约束应力74-75
• 3.5.2 小幅值剪切条件下的磁致法向约束应力75-76
• 3.6 本章小结76-77
• 第4章 磁流变塑性体微观结构的演化机理77-127
• 4.1 引言77
• 4.2 磁流变塑性体微观结构分析模型77-85
• 4.2.1 颗粒的力学模型78-82
• 4.2.2 基体的力学模型82-84
• 4.2.3 磁流变塑性体的屈服流动行为84-85
• 4.3 磁敏颗粒运动方程的建立85-99
• 4.3.1 磁敏颗粒在外磁场中的磁化85-87
• 4.3.2 颗粒与颗粒间的磁相互作用力87-95
• 4.3.3 颗粒与颗粒间的其它相互作用力95-96
• 4.3.4 颗粒与基体的相互作用力96-98
• 4.3.5 磁敏颗粒的运动方程98-99
• 4.4 磁流变塑性体在均恒外磁场作用下的微观结构演化99-110
• 4.4.1 颗粒体系参数说明100-101
• 4.4.2 二维情况下的磁致微观结构演化101-105
• 4.4.3 三维情况下的磁致微观结构演化105-110
• 4.5 磁流变塑性体在非稳定外磁场作用下的微观结构演化110-123
• 4.5.1 面内旋转外磁场作用下的微观结构演化110-120
• 4.5.2 空间变化外磁场作用下的微观结构演化120-123
• 4.6 磁流变塑性体在外磁场和剪切加载共同作用下的微观结构123-125
• 4.7 本章小结125-127
• 第5章 不同磁性颗粒混合体系的磁致微观结构127-141
• 5.1 引言127
• 5.2 不同磁性颗粒混合体系127-129
• 5.3 混合颗粒体系的力学分析模型129-133
• 5.4 混合颗粒体系的磁致微观结构及力学性能133-140
• 5.5 本章小结140-141
• 第6章 总结与展望141-145
• 6.1 工作总结及创新点141-144
• 6.2 工作展望144-145
• 参考文献145-161
• 致谢161-162
• 在读期间发表的学术论文及其它研究成果162-163

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

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2 朱应顺;龚兴龙;党辉;张先舟;张培强;;基于多链模型的磁流变弹性体剪切模量的数值分析(英文)[J];Chinese Journal of Chemical Physics;2006年02期

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2 宗路航;磁流变阻尼器的动力学模型及其在车辆悬架中的应用研究[D];中国科学技术大学;2013年

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本文编号：306646