磁流變塑性體及其減震器研制

張 承 文

(東南大學，江蘇 南京 211189)

磁流變塑性體及其減震器研制

張 承 文

(東南大學，江蘇 南京 211189)

通過對磁流變塑性體傳統制備方法的研究，從反應物性質出發，對制備方案進行了優化創新，并根據實驗方案進行了制備嘗試，初步確定了減震器的工作機理，定性設計出了減震器的大體外觀，以供參考。

磁流變塑性體，塑性聚氨酯，自供式，磁流變減震器

近些年，建筑物抗震能力方面的研究已有很多。人們跳出了傳統增強梁、柱、墻提高抗振動的能力的觀念，結合結構的動力性能，利用阻尼器吸收這種突然襲來的地震能量。如今質量共振阻尼系統和主動控制減震體系都是已經走向了工程實際。而阻尼器中的填充材料則是研究的重中之重，磁流變材料則是如今研究的熱門方向之一。

1 磁流變塑性體研究背景

磁流變材料是一種能夠通過改變磁場來控制流變性能的新型智能材料。目前，磁流變液是在磁流變材料中研究的一個主流方向，但是有關磁流變塑性體的研究則少之又少。

磁流變塑性體自愈性較好，在外力作用下仍能保持形態，相對于磁流變液和磁流變彈性體，磁流變液的傳統顆粒沉降問題磁流變塑性體能夠解決。因此，基于磁流變塑性體減震器的研究是很有前景的，本文將提出一種磁流變塑性體基體的制備方式，并且給出一種磁流變阻尼器的初步功能及外觀設計方案。

2 磁流變塑性體制備方法

2.1 磁流變塑性體簡介

磁流變塑性體的組分為基體，羰基鐵粉[2]，以及一些其他的添加劑。需要尋找一種密度大于硅油、粘度較大，能夠有效預防鐵磁性顆粒沉降的，物理性質類似泥一樣的基體。

由于聚氨酯彈性體與天然橡膠相比具有較好的降解穩定性，與硅橡膠相比較具有更優異的機械性能。所以經過調查后，初步決定以聚氨酯材料作為磁流變材料的基體[3]。

2.2 制備原料的選用

1)羰基鐵粉。鐵磁顆粒是磁流變材料中的重要組成部分，其自身屬性的優劣直接影響到磁流變液的力學性能。目前采用最多的是羰基鐵粉，由于羰基鐵粉具有較大的磁飽和度、較高的磁化率、較低的磁滯率和較小的矯頑力，故其具有非常優良的軟磁特性[4]。

2)聚氨酯基體。聚氨酯是目前一種相對成熟的材料，盡管如此，聚氨酯合成方法、配方、合成條件還是有許多分支，這些因素略有不同便會導致聚氨酯材料的物理性質有非常大的差異，所以如何控制反應物的比例和種類是實驗能否成功的關鍵。

聚氨酯合成的通用方法一般為：

異氰酸酯+聚醇+二醇類擴鏈劑——聚氨酯

其中熱塑性聚氨酯為嵌段共聚物結構，其結構式如下：

—[A—B]m——[C—B]n—

其中，A為聚醇類；B為二異氰酸酯類；C為二醇或二胺類擴鏈劑；A—B段為柔性鏈段，是無定型軟質鏈段，具有低溫柔順性；B—C為剛性鏈段，低溫時，剛性鏈段的氫鍵交聯形成結晶區，加熱后氫鍵被破壞產生塑性。

我們需要的磁流變塑性體基體要求常溫下就能表現出塑性特征。通過查閱文獻《聚氨酯材料手冊》[5]可知，反應物總的—NCO基團與—OH基團之比要求為1∶1。當軟段與硬段之比為1∶1～1∶2.5之間時，聚氨酯表現出介于固體與液體之間的塑性體特征。

2.3 實驗方案

表1給出的是基體部分及鐵磁顆粒部分的實際選用材料與說明，及實驗中主要運用到的儀器。

表1 磁流變塑性體制備材料

以下為詳細的制備步驟:1)將羰基鐵粉、潤滑劑(異丙醇，羰基鐵粉的4%)加入到球磨機的球磨罐中以160 r/min的球磨線速度球磨50 min，將球磨后的混合液置于真空干燥箱中，在真空度為-0.1 MPa，溫度為200 ℃下烘干6 h，制得凈化羰基鐵粉。2)將重量為羰基鐵粉2%的表面活性劑(十二烷基硫酸鈉)加入到凈化的羰基鐵粉中，并加入足量無水乙醇作為反應劑，球磨機按照250 m/s高速球磨5 h，靜置6 h后，去掉上層清液，然后70 ℃烘干，得到表面處理后的羰基鐵粉。3)將稱量好的甲苯二異氰酸酯和聚氧化丙烯二醇混合在容器中并用攪拌機進行攪拌，待混合物溫度穩定到75 ℃后開始聚合反應。2 h后，將反應溫度降低到65 ℃，將作為擴鏈劑的1,4—丁二醇加入反應物中進行擴鏈反應，持續1 h。然后加兩滴辛酸亞錫作為催化劑滴入反應物中，反應過程中適當加入丙酮作為反應溶劑使得產物呈現塑性，當反應物攪拌阻力增大且呈現塑性特征時，停止反應(注：加入溶劑丙酮是為了防止塑性體膠凝化,第一步反應溫度設為75 ℃是因為甲苯二異氰酸酯熔融加工溫度大于67 ℃)。4)將鐵粉與基體按照一定質量比混合在一起，劇烈攪拌至鐵粉混合均勻，便制得磁流變塑性體。

3 實驗記錄

基于以上的分析設計進行了兩次實驗，嘗試制備出合格的磁流變塑性體。

第一次實驗擬定軟硬段比例為1∶2，對應各原料用量為：聚氧化丙烯二醇100 g，甲苯二異氰酸酯130 g，1,4—丁二醇45 g，見圖1。

在經過了幾個小時的實驗后，制備出了實驗產品，但是并沒有完全達到預期，在實驗即將結束時，由于產品溫度較高，其表現為塑性。然而產品冷卻到室溫以后其硬度增大，并沒有表現出良好的塑性，產品只具有熱塑性。

第二次實驗中調整了原材料配合比，將軟硬段調整為1∶1。另外，調整了實驗時間，并不嚴格按照原方案中的2 h，1 h進行實驗，因為第一次實驗中后半段實驗時間內并沒有明顯反應，于是在第二次實驗中縮短時間，見圖2。

實驗原材料配合比如下：聚氧化丙烯二醇100 g，甲苯二異氰酸酯130 g，1,4—丁二醇45 g。

按照步驟，本次實驗制得的產品比上一次要軟，更接近塑性。但是也出現了一些新的問題，由于添加1,4—丁二醇速度過快，導致最終的產品呈現出了片狀特點。

分析總結后可以認為：按照目前這個原料配合比例進行一次實驗，實驗過程中緩慢加入1,4—丁二醇，待產品展現出良好塑性后停止并記錄下1,4—丁二醇的用量，以此進一步探索出最為合適的實驗方案。

4 磁流變阻尼器研制

磁流變阻尼器主要分為以下模式：壓力驅動模式，剪切模式，擠壓模式[6]。

事實上目前的磁流變阻尼器大多應用的是磁流變液，而磁流變阻尼器工作性能的好壞在很大程度上是取決于選用的磁流變材料，在磁流變塑性體中因為基體是高聚物材料，使得材料的彈性范圍大大增加。

地震來臨的時候，電力系統常常會遭受到破壞，通常的基于電力系統工作的阻尼器就沒有實用價值。因此，自功能式阻尼器就是一種很好的解決辦法。

壓電材料[7]是一種能量轉換介質，能通過擠壓壓電材料的方式，通過彈簧將外界振動作用力施加到安裝在彈簧座的壓電能量捕獲結構上[8]，利用振動過程中的機械能使材料表面產生電位差，然后經過一系列處理將壓電材料上的電位差變為穩定的輸出電能，并運用于作用在磁流變材料上的電磁場。

裝配體模型見圖3。活塞桿模型和彈簧模型見圖4，圖5。

5 結語

磁流變塑性體材料具有較為明朗的前景，其在減震器領域具備很大的應用潛力。本文研究的優化方案發現塑性聚氨酯的反應對時間及1,4—丁二醇的添加速率很敏感。并且，制備出的材料具有熱塑性，這些是需要未來進一步研究的問題。關于減震器，本文已經給出了外觀設計，以及工作原理的初步確定，其細部構造則是下一步研究的重點。

[1] 徐陽光，龔興龍，宣守虎.新型磁敏智能軟材料(磁流變塑性體)的制備，表征及機理研究[D].合肥：中國科技大學，2014:22-23.

[2] LLOYD J R，HAYESMICHEL M O，RADCLIFFEC J.Internal organizational measurement for control of magnetorheological fluid properties[J].Journal of Fluids Engineering·Transactions of the ASME，2007，129(4)：423-428．

[3] 伍金奎．新型聚合物基磁流變材料的制備及其性能研究[D]．成都：四川大學，2011.

[4] 郭維陽，徐趙東.高性能磁流變液的性能試驗及智能減震[D].南京:東南大學，2013:6-7.

[5] 徐培林，張淑琴．聚氨酯材料手冊[M]．第2版.北京：化學工業出版社，2011．

[6] 廖 華.深入理解磁流變阻尼器的工作原理[J].磁流變阻尼器的基本原理和結構，2008(2):47-49.

[7] 周龍亭.自供能磁流變阻尼器原理及其能量管理電路研究[D].重慶:重慶大學,2011.

[8] 羅 偉.自供能式磁流變液減震器的結構設計及實驗方案設計[Z].2014.

Research of the magnetorheological plastomer and its shock absorber

Zhang Chengwen

(SoutheastUniversity,Nanjing211189,China)

Through the research of the magnetorheological plastomer traditional preparation method, from the properties of the reactants, the optimization and innovation of the preparation method has been carried out, and the preparation experiments has been done based on the experimental method. According to the properties of the magnetorheological plastomer, the appearance of the absorber is designed qualitatively and its working mechanism is determined.

magnetorheological plastomer, polyurethane, self-supply, shock absorber

1009-6825(2017)22-0137-02

2017-05-24

張承文(1996- )，男，在讀本科生

TU112.59

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