實用性磁流變彈性體性能研究

豐衛邦，黃進明，張杰

（中國遠洋衛星海上測控部，江蘇江陰215431）

1 引言

磁流變彈性體是新興的磁流變材料，是將微米級的磁性顆粒散布于固態狀或者凝膠狀的高分子聚合物基體中固化后形成的[1]。與磁流變液相比，磁流變彈性體不僅解決了磁性顆粒的沉降性和團聚穩定性問題，而且具有可控可逆、響應迅速、穩定性好、結構設計簡單、制備成本低等獨特優點，因而顯示出廣闊的應用前景[2～4]。利用磁流變彈性體在外加磁場下的磁致效應，有些研究者已設計出基于磁流變彈性體的器件。如Ford汽車公司設計出了能在軸向和徑向實現不同的剛度控制的軸襯[5]；中國科技大學設計出剪切型磁流變彈性體主動移頻調諧式動力吸振器[6]。

但至今基于磁流變彈性體的應用還很有限，尚未達到工業化和商業化的要求。目前國際上研制的磁流變彈性體存在磁致效應和機械性能上的矛盾，導致研制的材料不能滿足工程應用的要求；磁流變彈性體容易老化，使用壽命短。此外，對于磁流變彈性體的相關應用研究處于起步階段，很多僅僅是概念化設計或者構想，將其用于隔振器的相關報道更少。本文主要研究實用性磁流變彈性體，并對其力學性能、磁致力學性能、撕裂性能、老化性能、疲勞性能等進行了研究。

2 實驗

2.1 原材料

羰基鐵粉，型號為MPS－MRF－25，實測平均粒徑 2.91 μm，江蘇天一超細金屬粉末有限公司生產； 聚醚的多元醇（PTMEG），工業品，上海山吉化工有限公司；萘－1，5－二異氰酸酯（簡稱 NDI），工業品，杭州崇舜化學公司；4-丁二醇（BDO），分子量 90.12，分析純，上海化學試劑一廠；三羥甲基丙烷（TMP），134.17，分析純，上海化學試劑一廠；苯乙烯，分析純，上海化學試劑一廠；2-4（氯磺酰苯基）-乙烷基三氯化硅烷（CTCS），分析純，上海化學試劑一廠；氨丙基三甲氧基硅烷（SCA－1103），分析純，湖北德邦化工新材料有限公司。

2.2 磁流變彈性體的制備

根據磁流變彈性體的成型特點和合成方法，本文設計了一種新型物理化學混合預成型，即將表面接枝-OH功能化的羰基鐵粉與異氰酸酯進行化學接枝反應，然后再和多元聚酯進行擴鏈反應形成預聚體，最后將預聚體與表面包覆過的羰基鐵粉、固化劑混合固化而成，具體如下：首先采用 SCA-1103對鐵粉進行表面改性，然后與一定量的聚氨酯預聚體混合。混合均勻后抽盡氣泡，將混合物加入已經預熱的并置于勵磁裝置上的模具中。在磁場固化30 min后關閉磁場，繼續在室溫固化2 h，然后再放入真空烘箱內110℃固化12 h，最終制得各向異性聚氨酯基磁流變彈性體。

2.3 性能測試

采用了深圳新三思公司 CMT4304型電子萬能試驗機測試磁流變彈性體拉伸強度、撕裂強度；臺灣高鐵公司的 GT-7107-(M/L)老化試驗機測試其老化性能，香港弘埔技術有限公司CR-1300型的蠕變試驗機測試其蠕變性能。

磁流變彈性體磁致力學性能測試主要由傳統的 MTS測試裝置和勵磁裝置構成。剪切狀態的測試裝置如圖1和圖2所示，壓縮狀態的測試裝置如圖3和圖4所示。

圖1 剪切狀態測試系統

圖2 剪切裝置勵磁裝置示意圖

3 結果與討論

3.1 磁流變彈性體的常規力學性能

3.1.1 拉伸性能試驗

本文根據GB/T528-1998[11]，采用深圳新三思公司 CMT4304型電子萬能試驗機對研制的磁流變彈性體進行了系統的拉伸性能測試，分別比較了不同鐵粉填充質量分數對磁流變彈性體拉伸性能的變化。試樣及裝置如圖5和圖6所示。

圖3 壓縮狀態測試系統

圖4 壓縮狀態勵磁裝置示意圖

圖5 測試試樣

圖6 拉伸性能測試裝置

拉伸性能測試結果分別如表1。

從表1中可以看出，隨著鐵粉填充質量分數的增大，磁流變彈性體的拉伸強度、扯斷伸長率均在減小，但是均滿足隔振器用材料的基本要求。

表1 拉伸性能測試結果

3.1.2 撕裂性能試驗

參照 GB/T529-1999[12]，撕裂性能采用與拉伸性能測試相同的測試裝置，測試試樣如圖1中所示，測試結果見表2。

從表2中可以看出，隨著鐵粉含量的增加，磁流變彈性體的撕裂強度不斷降低。滿足設計性能指標的要求。

3.1.3 動態疲勞性能試驗

本文按照GB1688-86[13]硫化橡膠伸張疲勞的測定標準，對研制的代號為MR1、MR2和MR3的磁流變彈性體以及本體材料進行了伸張疲勞的性能測試。測試中選擇頻率為250 r/min，應變值取伸長50%，試驗的應變次數為5萬次。

試驗結果表明，每種試樣在動態疲勞后，未發生斷裂，表面也無龜裂，無其他明顯變化，說明該磁流變彈性體有著良好的動態疲勞性能。

3.1.4 蠕變性能試驗

根據 GB/T19242-2003[14]，采用香港弘埔技術有限公司CR-1300型的蠕變試驗機，參照硫化橡膠的蠕變測試方法對磁流變彈性體進行了壓縮蠕變性能測試。試驗中選擇磁流變彈性體的本體材料、MR1、MR2和MR3試樣，以試樣變形20%時的力作為恒定作用力，以該點為時間的起點，設定工作溫度為50℃。測試試樣分別如圖7所示，圖8是試樣測試過程中的蠕變曲線。

表2 撕裂性能測試結果

圖7 蠕變性能測試試樣

采用標準中 10 min時磁流變彈性體的蠕變為基準，分別計算壓縮24 h后的蠕變指數，蠕變測試結果如表3所示。

圖8 MR3蠕變測試曲線

表3 磁流變彈性體的蠕變測試結果

從表3中可以看出，隨著鐵粉含量的增大，磁流變彈性體的蠕變指數增大。隨著鐵粉填充質量分數的繼續增大，磁流變彈性體的蠕變又略有減小，其中填充70%時的蠕變指數小于基體材料的蠕變指數。

3.1.5 老化性能

參照GB/T3512-2001[15]進行了磁流變彈性體的熱空氣加速老化試驗，試驗條件為100℃×96h。試驗設備采用臺灣高鐵公司的 GT-7107-(M/L)老化試驗機進行，試驗結果如表4所示。

表4 熱空氣老化性能測試結果

從表4中可以看出隨著鐵粉含量的增加，拉伸強度變化率有所增大，而且隨著鐵粉質量分數的增大，伸長率變化率有所減小。但是從整體上來看，磁流變彈性體在老化后，伸長率有所提高。這是因為高溫老化時，該材料進一步固化，使其性能顯著增加。因此，在制備該類聚氨酯彈性體時，必須優化工藝條件，使其達到完全固化，以保證材料性能的穩定性。

3.2 磁流變彈性體的性能比較

結合目前國內外的研究現狀，本文對目前研究的磁流變彈性體的常規力學性能、磁致力學性能與本文研制的磁流變彈性體進行了比較。其中羰基鐵粉的體積含量約在20%－30%之間（在進行體積分數換算時，天然橡膠密度取1.6 g/cm3，聚氨酯取1.2 g/cm3，硅橡膠密度取0.87 g/cm3）。

磁流變彈性體的性能對比如表5所示。其中表中空白表示查閱文獻中沒有標明，或者沒有進行研究。

表5 磁流變彈性體的力學性能比較

從表5可以看出，本文研制的聚氨酯基磁流變彈性體的拉伸性能和撕裂性能方面遠遠優于目前中科大等研制的硅橡膠、天然橡膠基的磁流變彈性體，初步解決了力學性能與實用性之間的矛盾，達到了工程實際應用的基本要求；在相對磁流變效應方面，也基本達到了目前國內外同行的研究水平。從表5中也可以看出，目前國內外關注的主要在于磁流變效應，而對于其力學性能的改善、工程應用方面很少進行系統的研究。

4 結論

本文以探索研制實用型磁流變彈性體為目的，研究了制備條件和應用環境對磁流變彈性體性能的影響，得出如下結論：

1）在制備磁流變彈性體的過程中，將預聚體和磁性顆粒混合后，容易產生氣泡。可以采用兩種辦法進行解決：首先，對預聚物和磁性顆粒的混合物要充分的抽真空。其次，必須設計合理的加壓模具。

2）磁流變彈性體的預結構化在適當的溫度下進行。在磁流變彈性體澆入模具中時，必須控制基體的固化時間與固化溫度，確保磁性顆粒有充分的時間在磁場下進行預結構化排列。

3）本文研制的磁流變彈性體的常規力學性能基本滿足工程應用的設計要求，但其疲勞特性、蠕變特性還有待進一步的改進與提高[3]。

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[13]GB 1688—86, 硫化橡膠伸張疲勞的測定[S]. 北京:國家標準局, 1986.

[14]GB/T 19242—2003, 硫化橡膠在壓縮或剪切狀態下蠕變的測定[S]. 北京: 國家質量技術監督局, 2003.

[15]GB/T 3512—2001, 硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗[S]. 北京: 國家質量監督檢驗檢疫總局, 2001.