磁場對磁流變彈性體表面特性的影響

任德均，李 銳，王明連，劉九山

(重慶郵電大學(xué) 汽車電子與嵌入式系統(tǒng)工程研究中心，重慶 400065)

物體在運動過程中，時常發(fā)出噪音，產(chǎn)生振動或造成磨損等一系列的負(fù)面影響，而大多類似的情形是由于材料的接觸表面粗糙，不夠光滑所致；在嚴(yán)重時，更是導(dǎo)致器件表面撕裂，危及整個器件壽命[1]。除此之外，材料表面粗糙度還會影響?zhàn)じ健⒈砻鏉櫇裆踔翆?dǎo)電性等[2-4]。大多材料在制備完成后，就確定了其表面的相關(guān)參數(shù)。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，通過試劑，電解，激光，溫度[5-7]等外部刺激來改變材料表面特性的新技術(shù)逐漸誕生，而磁場改變磁流變彈性體(magnetorheological elastomer， MRE)表面特性就是新技術(shù)中的一種[2]。

磁流變彈性體是一種新型的智能材料，主要是在橡膠(或硅樹脂)里面填充微米級大小的可磁化顆粒(鐵磁顆粒)制備而成[8]。在磁場作用下MRE內(nèi)部的磁性顆粒會被磁化，進(jìn)而產(chǎn)生相互作用力，外在表現(xiàn)為阻尼和剛度在磁場作用下發(fā)生變化[9]。MRE材料的彈性、剪切儲能模量以及損耗因子等在磁場作用下的變化的特性也在建筑、橋梁、汽車隔振等領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用[10-13]。研究者利用在磁場作用下快速應(yīng)變設(shè)計了隔振緩沖裝置[14-16]，并對MRE器件進(jìn)行了多尺度建模等[17-19]。對于磁流變彈性體的外部特性，磁場還會改變MRE表面的摩擦性能，包括滑動摩擦[20]、滾動摩擦[21]以及耐磨性[22]等，從不同溫度、壓力、濕度、磁場強度等條件下進(jìn)行大量的摩擦學(xué)實驗，分別從磁流變彈性體的彈性模量、硬度、實際接觸面積等在磁場下變化來對MRE摩擦學(xué)特性進(jìn)行闡述，但并未系統(tǒng)地研究多組分材料在磁場下的表面特性變化。

MRE在摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已經(jīng)開啟，MRE作為一種摩擦可控摩擦材料將被應(yīng)用在剎車片、傳送帶，機械結(jié)構(gòu)的橡膠末端等關(guān)鍵部位[20,23]。考慮到MRE材料需要服役在磁場環(huán)境中，充分了解MRE在磁場作用下的表面特性和摩擦學(xué)特性顯得尤為重要。為此本工作制備了不同體積分?jǐn)?shù)的磁流變彈性體，分別在磁場施加前后通過金相觀察實驗和白光干涉儀掃描實驗對MRE表面特性進(jìn)行探究，最后通過在磁場條件下的摩擦學(xué)特性進(jìn)行驗證。

1 實驗

1.1 原材料

研究對象為各向同性的磁流變彈性體，基體選用雙組分(A∶B=100∶5)硅橡膠(上海統(tǒng)帥有機硅材料有限公司)，填充顆粒采用羰基鐵粉(5μm，北京興榮源科技有限公司)，稀釋劑采用二甲基硅油(美國道康寧公司)。

1.2 制備過程

為了提高羥基鐵粉與橡膠的相容性，首先將羰基鐵粉進(jìn)行表面處理。處理流程：將硅烷偶聯(lián)劑配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2%的稀溶液，溶劑為純凈水和醇，加入醋酸作水解催化劑，將 pH 值調(diào)至 3.5～5.5。再加入鐵粉充分混合，最后把經(jīng)過表面處理的鐵粉烘干制備成粉末備用。制備樣品流程：首先將橡膠組分A用二甲基硅油稀釋，再與處理之后的鐵粉充分混合，之后進(jìn)行超聲波分散處理，進(jìn)一步加入橡膠組分B充分?jǐn)嚢瑁詈鬄榱吮苊鈽悠分写嬖跉馀萦绊憣嶒灲Y(jié)果，進(jìn)行抽真空處理倒入模板固化。本工作制備了羰基鐵粉分別為5%(體積分?jǐn)?shù)，下同),10%，15%，20%，25%，30%的MRE樣本。為了表面觀察時更方便，切割部分樣本放入尼龍模板備用。

1.3 實驗方法

實驗主要是為了觀察施加磁場前后MRE表面的變化情況，本工作設(shè)計的表面觀察實驗包括金相顯微鏡觀察實驗和白光干涉儀掃描實驗，金相顯微鏡主要是對MRE的二維表面進(jìn)行觀察，白光干涉儀則能夠?qū)RE的三維形貌(包括粗糙度、波峰、波谷)更進(jìn)一步的分析。最后通過摩擦實驗進(jìn)行檢驗，磁流變彈性體表面的形貌變化會直接影響到磁流變彈性體的摩擦性能。設(shè)計搭建了一個摩擦實驗臺架，在磁場施加前后對磁流變彈性體表面的摩擦性能進(jìn)行對比測試。

1.3.1 實驗臺架

(1)金相顯微鏡與白光干涉儀實驗裝置原理一致，表面觀察實驗裝置原理圖如圖1所示，主要包括磁場施加裝置(磁場固定裝置和永磁鐵)，樣品(固定在尼龍方塊中的長方體MRE)，鏡頭(分別是金相顯微鏡和白光干涉儀鏡頭)，計算機(用于儲存和處理圖像)。

圖1 表面觀察實驗裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device for surface observation

(2)摩擦實驗臺架：根據(jù)實驗需求，測試施加磁場前后樣本的摩擦特性，設(shè)計并搭建了簡易摩擦實驗平臺，實驗平臺主要由步進(jìn)電機、直線導(dǎo)軌、拉壓力傳感器、磁場施加裝置和基座等構(gòu)成。摩擦實驗臺架如圖2所示。實驗過程中，恒定正壓力由銅塊提供，而步進(jìn)電機則保證了摩擦測試過程中勻速直線運動，勻速運動速度為0.01mm/s，拉壓傳感器用于測試摩擦力。磁場的施加方式為永磁鐵，位于磁流變彈性體樣本下方，在樣本表面的磁場強度可達(dá)約500mT。考慮到磁場可能對摩擦副造成吸引，所以選用不導(dǎo)磁的光滑銅塊作為摩擦副，銅塊的接觸面大小為30mm×20mm。

圖2 摩擦實驗臺架Fig.2 Friction test bench

1.3.2 實驗過程

(1)首先在不施加磁場的條件下對MRE表面進(jìn)行金相顯微鏡觀察(AXIOVERT 200 MAT)和白光干涉儀觀察(Contour GT-K)，兩種觀察實驗由于放大倍數(shù)均較大，觀察視野都較為局限，所以金相顯微鏡觀察時在不同位置拍攝多組MRE二維表面，同理白光干涉儀也在MRE表面不同位置進(jìn)行掃描，分別記錄不同位置數(shù)據(jù)。然后在施加磁場條件下進(jìn)行相同的觀察實驗，金相觀察實驗時，MRE表面磁場強度為250mT(采用特斯拉計在MRE表面測得，磁場方向垂直于MRE表面向上)。白光干涉儀掃描實驗時，更換了磁場強度較大的永磁鐵，MRE表面的磁場強度達(dá)500mT左右，磁場方向垂直于MRE表面向上。

(2)在滑動摩擦實驗之前，確認(rèn)實驗平臺所處的位置無振動源，設(shè)置步進(jìn)電機的脈沖頻率和脈沖數(shù)，用水平儀測量推桿和磁流變彈性體是否水平，并用酒精清洗磁流變彈性體表面，待磁流變彈性體表面酒精揮發(fā)后開始實驗。步進(jìn)電機推動通過以0.01mm/s的速度勻速運動180s左右，計算機自動記錄滑動摩擦過程摩擦力大小。實驗重復(fù)3次，結(jié)果取3次實驗的平均值，由庫侖定律得出摩擦因數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 在磁場作用下的MRE金相顯微鏡圖像分析

MRE金相觀察的部分結(jié)果如圖3(無磁場)、圖4(有磁場250mT)所示。白色小點為羰基鐵粉，顏色偏暗部分為橡膠。由圖3，4可以看出，隨著MRE中鐵磁顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，MRE樣本表面的鐵磁顆粒含量明顯增加，圖3，4中使用紅圈標(biāo)出了鐵磁顆粒較多的位置，大部分鐵磁顆粒較為分散，有少部分鐵粉會有聚集的現(xiàn)象，這可能是由于MRE制備過程中鐵粉攪拌不均勻，隨機分布所致。當(dāng)鐵磁顆粒分布較為密集時，鐵磁顆粒之間易形成磁偶極子對，磁偶極子之間的相互作用示意圖如圖5(a)所示，位置A，B，C，D分別代表鐵磁顆粒的上半部分或下半部分，鐵磁顆粒在磁場下被磁化，AC，BD之間存在相互排斥作用，BC，AD之間存在相互吸引作用，最終是吸引作用還是排斥作用取決于鐵磁顆粒之間的距離和角度[24]。從概率的角度來說，MRE內(nèi)的部分鐵磁顆粒會表現(xiàn)出吸引，部分鐵磁顆粒之間表現(xiàn)出排斥，排斥的鐵磁顆粒向旁邊的鐵磁顆粒靠攏。當(dāng)這一狀況發(fā)生在MRE表面時，MRE表面鐵磁顆粒受力示意圖如圖5(b)所示，物體表面不存在絕對平整，當(dāng)鐵磁顆粒嵌在微凸峰上時，相鄰的鐵磁顆粒會產(chǎn)生水平方向的吸引力，同時在磁場作用下產(chǎn)生向下的作用力，MRE中的鐵磁顆粒會帶動周圍的橡膠發(fā)生微小移動，微凸峰之間相互靠攏、并向下擠壓，外在表現(xiàn)出MRE表面有收縮趨勢，對凹谷形成填補效應(yīng)，如圖5(b)中的表面輪廓由實線變?yōu)樘摼€，從而影響MRE表面的粗糙度。但在實際的金相觀察實驗結(jié)果中，觀察到了MRE表面鐵磁顆粒的分布情況，在磁場作用下發(fā)生的微小移動較難量化，并且在磁場施加前后原位觀察較為困難，難以進(jìn)行對比，在2.2節(jié)內(nèi)容中將采用可量化的觀察方式進(jìn)行驗證。

圖3 無磁場下的MRE金相觀察表面 (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%Fig.3 Metallographic surface of MRE without magnetic field (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%

2.2 在磁場作用下的MRE白光干涉儀圖像分析

金相顯微鏡能夠觀察MRE表面的二維圖像，則白光干涉儀能夠?qū)RE表面的三維形貌變化進(jìn)行觀察，并且獲得粗糙度、微凸峰等相關(guān)參數(shù)，但不能分辨出鐵磁顆粒的位置，這一點與金相顯微鏡觀察形成互補。MRE白光干涉儀掃描部分實驗結(jié)果如圖6(無磁場)、圖7(有磁場500mT)所示。由MRE表面的三維形貌可以看出，看似光滑的表面的確存在許多凹凸不平之處。白光干涉儀掃描圖像能夠清晰地觀察到MRE表面是由高低不平的微凸峰和凹谷構(gòu)成，三維圖像中紅色部分為微凸峰，藍(lán)色部分為凹谷，隨著紅色加深凸峰突出部分越高，隨著藍(lán)色加深凹谷部分凹陷越深。如圖6所示，施加磁場之前的MRE表面色差較大，起伏較大，說明MRE表面較為粗糙。施加磁場之后的MRE三維圖像如圖7所示。由圖7可以看出，各組分的MRE表面圖像色差變得相對平緩，說明MRE表面在磁場作用下變得平緩。由MRE白光干涉儀表面掃描實驗可以看出，施加磁場之后的MRE表面變得相對平緩，更為光滑，下面將用測試數(shù)據(jù)來進(jìn)一步驗證。

通過MRE三維掃描實驗獲取的數(shù)據(jù)對MRE表面在磁場作用下的變化進(jìn)行量化分析。在白光干涉儀掃描實驗中，由于每次掃描視野較小，為保證數(shù)據(jù)的真實可靠，對MRE不同位置的表面輪廓形貌進(jìn)行了多次掃描，獲得MRE表面粗糙度，微凸峰最高點和凹谷最低點等數(shù)據(jù)，取平均值得到如圖8所示的輪廓數(shù)據(jù)和圖9所示的粗糙度數(shù)據(jù)。

圖6 無磁場下的MRE三維形貌 (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%Fig.6 Three dimensional morphologies of MRE without magnetic field (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%

如圖8所示，MRE表面輪廓最高點Rp、最低點Rv在磁場作用下均有變化，說明在磁場作用下，MRE除了有剛度阻尼等材料屬性變化之外，還有表面的微觀變化。產(chǎn)生變化的原因是因為磁場在MRE下方，磁場把MRE中的鐵磁顆粒磁化，鐵磁顆粒之間產(chǎn)生相互作用，從而引導(dǎo)致了MRE表面發(fā)生變化。對于較為突出的微凸峰(如25%MRE的點)，表現(xiàn)出被削弱性更強。

圖7 有磁場(500mT)下的MRE三維形貌 (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%Fig.7 Three dimensional morphologies of MRE with magnetic field 500mT (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%

圖8 MRE表面輪廓Fig.8 Surface profile of MRE

對MRE分別在無磁場(0mT)和有磁場(500mT)兩種狀態(tài)下的表面粗糙度進(jìn)行了記錄，在磁場下MRE的表面粗糙度增大或減小現(xiàn)象均存在，隨后對所得結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖9所示。統(tǒng)計結(jié)果顯示：MRE表面粗糙度在磁場作用下均出現(xiàn)降低趨勢，其中5%MRE粗糙度降低最多，約20%。粗糙度主要是反應(yīng)物體表面的平整程度，施加磁場之后，MRE表面的粗糙度減小，表面變得平整，這主要是因為在磁場作用下，較高的粗糙峰在磁場吸引下會被拉低，表現(xiàn)出削低特性；加之，部分MRE表面鐵磁顆粒在磁場作用下相互吸引，對凹谷形成填補，使得原本粗糙表面在一定程度上發(fā)生變化，最終導(dǎo)致MRE表面粗糙度降低，這也驗證了金相觀察實驗中的猜想。

圖9 MRE的表面粗糙度Fig.9 Surface roughness of MRE

2.3 摩擦實驗結(jié)果驗證表面變化

通過表面觀察實驗發(fā)現(xiàn)，施加磁場之后，磁流變彈性體表面發(fā)生了微小變化，導(dǎo)致磁流變彈性體表面粗糙度發(fā)生變化，下面利用滑動摩擦實驗來驗證表面在磁場下的變化。

摩擦實驗結(jié)果如圖10所示，圖10(a)～(f)依次為5%MRE～30%MRE一次滑動摩擦實驗過程，圖中截取了主要的滑動摩擦過程。室溫條件下，正壓力為2.89N，分別在無磁場(0mT)和有磁場(500mT)分別進(jìn)行滑動摩擦實驗。從摩擦力隨滑動過程的變化曲線中可以看出，隨著滑動時間的增加，摩擦力逐漸增大，此階段為靜摩擦階段。當(dāng)摩擦力隨滑動時間幾乎保持不變時，此階段為動摩擦階段，此時的摩擦力和正壓力用于計算摩擦因數(shù)(相同條件下摩擦實驗重復(fù)3次)。由圖10可以看出，在施加磁場(500mT)情況下，各組分百分比樣本的摩擦力顯著低于無磁場施加情況，說明磁場對MRE的摩擦特性產(chǎn)生了影響。

圖10 摩擦力隨時間變化曲線 (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%Fig.10 Curves of friction force with time (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%

通過庫侖定律求得各組分MRE在有磁場(500mT)和無磁場(0mT)情況下的摩擦因數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果如圖11所示。實驗結(jié)果顯示：隨著鐵磁顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，MRE摩擦因數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢，另外，各體積分?jǐn)?shù)的MRE摩擦因數(shù)在磁場作用下也呈現(xiàn)減小趨勢。隨著鐵磁顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢，30%MRE的摩擦因數(shù)相比于5%MRE的摩擦因數(shù)約減小了38%。這主要是因為在相同條件下，較大鐵磁顆粒體積分?jǐn)?shù)的樣本，其表面鐵磁顆粒較多，鐵磁顆粒摩擦因數(shù)低于橡膠摩擦因數(shù)。所以當(dāng)鐵磁顆粒體積分?jǐn)?shù)較大時，MRE樣本整體表現(xiàn)為摩擦因數(shù)較小，這也與金相表面觀察實驗所取得的結(jié)果相吻合。相同正壓力下，MRE摩擦因數(shù)在磁場作用下減小，主要是因為MRE表面的微結(jié)構(gòu)、粗糙度等在磁場下發(fā)生了變化。至于粗糙度與摩擦因數(shù)在磁場作用下的變化幅度不一致，呈現(xiàn)非線性變化，目前還尚不明確，以后還將對此進(jìn)一步深入研究。

圖11 MRE在有磁場(500mT)和無磁場(0mT)下的摩擦因數(shù)Fig.11 Friction coefficient of MRE with magnetic field (500mT) and without magnetic field (0mT)

前期的研究發(fā)現(xiàn)[9-13]，磁流變彈性體這種新型智能材料能夠在磁場作用下快速改變剛度、阻尼等力學(xué)特性，后來這一特性被應(yīng)用到隔震減振領(lǐng)域。本工作研究發(fā)現(xiàn)的磁流變彈性體在磁場作用下發(fā)生表面特性變化，也將為磁流變彈性體在表面工程，抗摩擦磨損方面的研究和應(yīng)用提供新思路。

3 結(jié)論

(1)隨著鐵磁顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，MRE表面的鐵磁顆粒會增多，從而對MRE表面的摩擦磨損特性造成影響，這一點在MRE滑動摩擦實驗中得到了驗證。另外，在磁場作用下，MRE中的鐵磁顆粒易形成磁偶極子對，并且產(chǎn)生相互作用力，導(dǎo)致MRE表面發(fā)生微觀變化，從而改變MRE表面粗糙度。

(2)MRE表面輪廓在磁場作用下會沿著磁場反方向發(fā)生微小移動，表面輪廓有整體下降趨勢，并且對較高的微凸點有削弱作用，形成填補效應(yīng)，各組分的MRE表面粗糙度均出現(xiàn)降低。5%MRE在磁場(500mT)作用下粗糙度降低最多，約降低了20%。

(3)各體積分?jǐn)?shù)的磁流變彈性體摩擦因數(shù)均在磁場下減小，磁場改變了MRE表面的微結(jié)構(gòu)、表面粗糙度等。30%MRE的摩擦因數(shù)相比于5%MRE的摩擦因數(shù)約減小了38%，隨著鐵磁顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大，MRE表面鐵磁顆粒含量是影響其摩擦特性的主要因素。