磁流變彈性體的制備及其壓敏導電性能研究*

肖林京，范亞敏，朱緒力，滕桂榮，肖　楠，王傳萍，公緒波，衛　潔

(1. 山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590)

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磁流變彈性體的制備及其壓敏導電性能研究*

肖林京1，范亞敏1，朱緒力1，滕桂榮2，肖楠1，王傳萍1，公緒波1，衛潔1

(1. 山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590)

摘要：針對磁流變彈性體的導電特性，設計了一種磁流變彈性體導電性測試元件，確立了其基本的制備工藝。基于磁流變彈性體導電性元件的可靠性，在相同條件下制備不同配比單一粒徑磁流變彈性體樣品，進一步設計整個導電性元件的壓敏特性測試裝置，并利用該裝置對磁流變彈性體樣品的電流與電阻率進行測試，結果表明，該元件可以實現磁流變彈性體壓敏導電特性的穩定性測試，通過測試數據分析得到磁流變彈性體由于基體材料的粘彈性壓應力隨時間衰減，較小的顆粒體積比對混合液的黏度影響較小，對磁流變彈性體樣品的電導影響更加敏感。

關鍵詞：磁流變彈性體；導電性元件；測試裝置；導電特性；粘彈性

0引言

磁流變彈性體是在磁流變液的基礎上發展而來的一類新型的磁流變智能材料，將磁流變液的分散介質用可固化的高分子材料代替，即可制備出微米級鐵磁性顆粒分散于液態高分子聚合物中的復合材料。在外加磁場的作用下鐵磁性顆粒磁化形成有序結構并固化在非導電彈性基體中，使其不僅具有良好的力學性能，還具有獨特的電學性能，被廣泛應用于傳感器和智能機構等領域[1]。

目前，國內外學者對于復合體系導電特性的研究方法主要為理論分析和實驗測試。由于磁流變彈性體中基體一般都是絕緣體，因而其電阻主要由填充顆粒決定。Li等基于磁流變彈性體的磁致電學性能制備了一個力傳感器[2]。Ruschau等人發現當導電高分子材料的外界激勵發生變化，如應力或溫度的變化，磁流變彈性體的電阻將會發生改變[3]。Bica等也對磁流變彈性體的電性能如電阻、電容、電流與磁場、硫化時間、外力等關系進行了較多研究[4-6]。Kchit等對磁致電阻與溫度、壓力的關系和磁致電阻機理進行了研究[7-8]。Bossis等人通過實驗發現磁場對磁流變彈性體導電特性影響非常顯著，當顆粒沒有接觸時，材料的電阻隨著壓力的增加呈指數遞減，當顆粒接觸以后，電阻與壓力的關系變成乘方關系[9]。

由于磁流變彈性體內部顆粒結構的特殊性以及內部顆粒具有導電性和導磁性，使其具備對外界激勵響應敏感的特性[10]。因此準確控制鐵磁性顆粒在混合基體中的分散狀態可以提高磁流變彈性體的導電性。目前已制備出各種磁流變彈性體，但還存在可控動態范圍較小以及性能穩定性差等不足，限制了它們的應用。如何改進制備方法、制備出更高磁流變效應的磁流變彈性體是一個最重要的研究目標。文中通過對磁流變彈性體導電性能測試元件的制備，提高了磁流變彈性體樣品與測試元件的結合度，改善了磁流變彈性體的電性能測試的穩定性，為高性能磁流變彈性體的制備及準確的導電性能測試提供了準確的參考。

1導電性元件制備

本文制備的磁流變彈性體導電機理與一般的導電高分子材料相似，導電的原理是填料在基體材料中形成導電通道，在制備初期，鐵磁性顆粒濃度低，分散于基體中，在外加磁場作用下顆粒磁化由較高的能量狀態向較低的能量狀態運動，形成連接極板的鏈狀結構，極化顆粒之間協同導電。根據磁流變彈性體的這一特性，設計出一種導電性元件，該元件采用模具與磁流變彈性體樣品固定化成型的制備方法。不僅可以提高磁流變彈性體樣品的填充量，使其與導電元件的結合度提高，還可以提高磁流變彈性體的導電性，進一步提高實驗的可靠度。

1.1實驗原料

磁流變彈性體主要由羰基鐵粉、硅橡膠及固化劑組成。鐵磁性顆粒的種類和尺寸和含量對磁流變彈性體的性能都有很大的影響[11]。顆粒材料要求具有較高的磁導率和高飽和磁化強度，以增強顆粒在較強磁場中的磁場力。同時顆粒材料還必須具有很低剩磁，以保證磁流變彈性體性能的穩定性；基體材料的性能要求具有較好的穩定性，抗老化、永久變形小。一般要求基體材料固化前的黏度不大于10Pa·s，固化后的彈性模量要比較小；添加劑的使用量對磁流變彈性體在制備過程中降低基體材料固化前的黏度和固化后的彈性模量起到重要的作用。

根據以上要求，本實驗選用型號為MPS-MRF-35(江蘇天一超細金屬粉末有限公司)的羰基鐵粉作為填充材料，基體材料為道康寧184硅橡膠，道康寧184硅橡膠為雙組份高溫硫化硅橡膠，包含聚合物原料和固化添加劑兩種組份，其基本性能滿足上述要求。按表1的配比制備單一粒徑的磁流變彈性體。

表1不同磁流變彈性體中的鐵粉含量(體積比v/v)

Table1ThevolumefractioncarbonylironinsideMREs

試樣編號鐵粉硅橡膠固化添加劑MRE-11%89%10%MRE-20.1%89.9%10%

1.2導電元件模具制備

本實驗制備磁流變彈性體所設計的模具結構如圖1(a)所示，主要分為帶有圓形凸臺的上下端蓋、分體擋圈、緊固螺栓螺母等3部分，其主要材料為非導磁材料(純銅)，可防止磁集聚現象。帶有圓形凸臺的上下端蓋中間由擋圈起連接作用，上下凸臺間距為1mm，磁流變彈性體樣品直徑為16mm，螺栓螺母緊固上下端蓋，當硅橡膠固化完成后，將擋圈移去，同時端蓋始終保持與樣品相接觸，能夠最大限度的保證模具與樣品的結合度，提高實驗的可靠性和準確性，為后期實驗測量做準備。移除擋圈后，固化后的磁流變彈性體樣品和模具共同構成導電性元件如圖1(b)所示。

圖1　導電性元件模具結構

1.3磁流變彈性體制備

磁流變彈性體的制備主要包括3個階段：混合、顆粒結構化和基體材料固化，其具體步驟為：

(1) 首先將稱量好的硅橡膠和羰基鐵粉混合機械攪拌10min。然后將混合物放入真空干燥箱，抽真空30min，除去氣泡。

(2) 將稱量好的固化劑加入到混合物中機械攪拌10min，放入真空干燥箱，抽真空30min，再次除氣泡，抽真空的過程重復目的是最大程度的除去磁流變混合液攪拌時混入的空氣。

(3) 除去氣泡后將混合物注入到制備好的磁流變彈性體模具中，將模具固定后放入由兩塊耐高溫永久強磁鐵構成的靜強磁場裝置中，磁感應強度為115mT。

(4) 將磁場裝置和模具都放入到真空干燥箱中，逐步加熱到120 ℃。在溫度達到120 ℃后60min，待硅橡膠固化完成后取出模具冷卻。

(5) 待冷卻后將擋圈移去，同時端蓋始終保持與樣品相接觸的原始狀態進行實驗。

通過該模具制備出來的不同配比單一粒徑的磁流變彈性體樣品如圖2所示。真空掃描隧道顯微鏡下觀測到的磁流變彈性體縱切面的微觀結構如圖3所示，可以看到通過該方法制備出來的磁流變彈性體縱切面的鐵磁性顆粒基本上沿磁場方向成柱狀排列，內部結構致密，符合后期的實驗研究和實驗要求。

圖2　固化后的磁流變彈性體樣品

圖3　磁流變彈性體縱切面的SEM圖

Fig3MicrostructureofcarbonylironparticlesinsideanMREsample

2磁流變彈性體壓敏導電性能測試

2.1測試系統和測試方法

基于磁流變彈性體自身的特點以及傳導電流和隧道電流導電機理的研究分析[12]，建立了一套基于磁流變彈性體壓敏導電特性的測試裝置。實驗中使用的電源型號為GPC-3060D穩壓電源3組輸出(兩組可調，一組固定電壓)，可調電壓從0～32V可手動調整，顯示精度為0.25V。電壓測量儀表為安捷倫數字臺式的萬用表，其測量精度為0.001mV，測試裝置如圖4(a)所示,測試電路簡圖如圖4(b)所示。

將該導電性元件模具的上下銅端蓋上分別焊上銅導線，通過導線與直流穩壓穩流電源和電阻串聯成閉合回路，串聯電阻起到分壓的作用，防止測量時由于電源內阻過大對測量數據產生誤差。具體測試過程為：將磁流變彈性體樣品放在壓力機的工作臺上。壓力機的工作臺由步進電機控制上下移動，可以調節施加在樣品上的壓力。在保持壓力的同時在磁流變彈性體樣品兩端的端蓋上施加直流電壓，通過計算得出流經磁流變彈性體樣品的電流。

圖4　磁流變彈性體壓敏導電性能測試系統

Fig4PressuresensitivitymeasurementsystemoftheconductiveMREs

2.2實驗結果處理與分析

調節直流穩壓穩流電源輸出電壓U,串聯電路中的電阻為R0,通過臺式萬用表測得施加在R0兩端電壓U1，根據測試結果計算流經電路中的電流為

(1)

導電元件中磁流變彈性體樣品的電導為

(2)

導電元件中磁流變彈性體樣品的電導率為

(3)

磁流變彈性體樣品的電導G，電導可通過電流和電壓的測量得到，根據關系式可進一步得到電阻率數值。A為磁流變彈性體樣品測量電極的有效接觸面，L為樣品的高度，即上下端蓋極板間距離。

對配備好的MRE-1和MRE-2磁流變彈性體樣品在未施加壓力的情況下進行實驗測試，得到電流和電阻率隨電壓變化趨勢，如圖5所示。

圖5　未施加壓力電流和電阻率隨電壓變化趨勢圖

Fig5Currentandelectricalresistivitydependonvoltagevariationwithoutpressure

由圖5可見，在初始電壓很小的情況下，磁流變彈性體初始電阻率達到最大值，磁流變彈性體樣品的電阻率隨著外加電場的變化響應非常敏感，電阻率隨電壓的增加而減小，初始電壓從0增加到15V過程中，電阻率下降速度最快，電壓大于15V時，電阻率隨著外加電壓的增加下降速度趨于平穩。電流隨電壓的增加而增加，電壓越大電流增加的越明顯，電流與電壓表現出明顯的非線性關系。

本實驗通過對MRE-1和MRE-2兩種磁流變彈性體樣品施加相同的壓力108MPa后突然卸載，每隔30min對實驗數據進行測試，并與未施加壓力的情況下進行比較，得到磁流變彈性體受外加壓力下電流和電阻率隨電壓變化的趨勢圖，如圖6所示。由圖6可知，當作用于MRE上的載荷發生變化時，MRE的電導也會隨時間和外加電場變化而改變。對樣品施加壓力后突然卸載，在相同的時間內，電流和電阻率的變化趨勢和未施加壓力時的變化趨勢是一致的。由于基體的粘彈性，壓應力隨時間衰減，磁流變彈性體樣品電阻率不斷增加，流經樣品電流不斷減小，顆粒體積分數0.1%的MRE樣品的電阻率明顯大于1%的MRE樣品，流經樣品的電流明顯小于1%的MRE樣品。較小的顆粒體積比對混合液的黏度影響較小，對MRE樣品的電導影響更加敏感。

圖6　壓力卸載后電流和電阻率分別隨電壓變化趨勢圖

3結論

設計并制備了一種磁流變彈性體導電性能測試元件，提高了磁流變彈性體樣品與測試元件的結合度，在外加靜態勻強磁場的作用下提高了鐵磁性顆粒原始分散狀態的自動恢復性，同時防止磁集聚現象，改善了磁流變彈性體電性能測試的穩定性，對研究觸覺傳感器是一種新的探索，為高性能磁流變彈性體的制備及準確的導電性能測試提供了準確的參考。利用該導電性元件進一步設計了對磁流變彈性體的壓敏導電特性的測試系統，通過實驗數據處理和分析可獲得磁流變彈性體導電特性的敏感度、線性關系受外加電場和基體材料的粘彈性影響非常顯著。

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文章編號：1001-9731(2016)07-07216-04

基金項目：山東省自然科學基金資助項目(ZR2011EEM005)；青島經濟技術開發區重點科技發展計劃資助項目(2013-1-67)

作者簡介：肖林京(1966-)，男，山東沂水人，教授，博士生導師，主要從事機電傳動控制、機械動力學等方面的教學研究工作。

中圖分類號：TM206

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.042

Fabrication and pressure-sensitive electrical conductivity of magnetorheological elastomers

XIAO Linjing1, FAN Yamin1, ZHU Xuli1,TENG Guirong2, XIAO Nan1,WANG Chuanping1, GONG Xubo1, WEI Jie1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China;2. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China)

Abstract:A magnetorheological elastomer conductive element and its basic preparation process were designed based on its electric conductivity. Further we designed the test device for the entire electrical conductivity device based on reliability of the conductive element. Under the same conditions, the samples with different ratio of single particle diameter were prepared. Experimental results showed that the stability test of the electric conductivity can be achieved by using this device and the current and the resistivity of MREs are tested. Due to the viscoelasticity of the matrix material, the compressive stress decreases with time and the smaller particle size is less affected by the viscosity of the mixture. The conductance of MREs is affected more obviously by the viscoelasticity.

Key words:magnetorheological elastormers; conductive element; test device; electrical conductivity; viscoelasticity

收到初稿日期：2016-01-16 收到修改稿日期：2016-05-20 通訊作者：朱緒力，E-mail:zhuxuli@tsinghua.org.cn