磁性彈性體的應用探究

解楠 吳澤偉 吳公勇

摘要：磁性彈性體作為一種新型的功能材料和智能材料，具有許多優異的性能。近年來，磁性彈性體的研究引起了學術界和工業界的廣泛關注。由于磁性彈性體是無機磁性組分與有機聚合物基體結合形成的復合材料，無機與有機材料的協同作用使磁性彈性體具有純無機或有機材料不能實現的新特性。

關鍵詞：磁性彈性體;原位法;智能材料;磁致模量

1、磁性彈性體的概念

磁彈性體是最新形式的磁流變材料。用聚合物代替磁流變液的液體基質，一方面解決了磁流變液易沉降、穩定性差、易磨損等缺點;另一方面，可磁化顆粒在外加磁場作用下被磁化，產生相互作用力。當材料變形時，這些磁力的內部形成的反向力矩會使磁性彈性體的模量、剛度和阻尼發生很大的變化，從而繼承了其磁流變效應的優點。它具有響應快（MS量級）、可逆性好（去除磁場后，恢復初始狀態）以及材料的力學、磁學和電學性能在外磁場中連續可控等優點。此外，磁性彈性體的結構設計簡單，性能穩定，制備成本低，在航天、國防、交通等領域應用前景廣闊。

磁性彈性體按其結構可分為各向同性和各向異性磁性彈性體。在材料固化過程中，施加磁場或不施加磁場均可得到兩種內部結構不同的磁性彈性體。當不施加磁場時，制備了各向同性磁性彈性體，磁性顆粒在基體中隨機分布。當外加磁場一定時，制備出各向異性磁性彈性體。此時，基體中的磁性顆粒將沿磁場方向排列，形成鏈狀或柱狀結構。

2、磁性彈性體的制備

目前，關于磁性彈性體制備方法報道的很多，主要分為三類：

（1）機械共混法：機械共混是最常用、最成熟的工藝，常用于橡膠基體。該方法已通過工業設備（如密煉機和開煉機）實現，包括原料的內部混合、混合和固化。首先將橡膠基體混合，然后將基體、磁粉和各種添加劑在球磨機上均勻混合，最后將混合料片放入模具中，在一定的溫度和壓力下凝固。但是，這種方法得到的材料中的磁性顆粒容易在基體中聚集，從而導致材料綜合性能的下降。

（2）原位法：原位法包括原位聚合法和原位熱分解法。原位聚合是將磁性粒子分散在聚合物基體的單體中，然后在磁性粒子表面聚合。2013年，伊朗的Mohammadi等人通過原位聚合在磁場下制備了聚氨酯基磁性彈性體。該方法改善了磁性粒子在基體中的分散性，從而提高了材料的綜合性能。原位分解法是將磁性粒子的前驅體分散在液體基質中，利用輔助加熱等方法將前驅體分解，并將得到的磁性粒子與基體進行復合。Bica等人采用原位分解法將羰基鐵與液態硅橡膠混合，微波加熱分解羰基鐵產生鐵原子，與硅橡膠結合形成穩定的復合材料，使磁性彈性體具有良好的力學性能。該方法可以使磁性顆粒與基體的結合更加穩定，提高材料的力學性能，且固化前溫度更高，有利于磁性顆粒在磁場中的排列。然而，這種方法不容易控制磁性顆粒的形貌和粒徑。

（3）其它方法：除了機械共混法和原位法外，還有一些其他報道的方法，如液體共混法和真空輔助樹脂傳遞模塑法。液體共混法是將液體基質或基質溶解于特定的有機溶劑中，與磁性顆粒混合，然后加入固化劑進行固化。但這種方法存在的問題是難以使有機溶劑完全揮發，使部分有機溶劑殘留在混合物中，影響材料的力學性能和磁性。此外，這種有機溶劑通常是高度有毒的，這對人體和周圍環境是極其有害的。真空輔助樹脂傳遞模塑通常用于制備質量要求嚴格、批量小、尺寸大的材料。伍茲采用真空輔助樹脂傳遞模塑法制備硅橡膠基磁性彈性體。但這種方法不易滲透到磁性顆粒中，不能制備出高填充量的磁性彈性體。

3、磁性彈性體的應用

磁性彈性體是一種新型的功能材料和智能材料，在許多領域有著廣泛的應用。目前，其應用主要集中在磁彈性模量的性質上。利用外加磁場不斷改變材料的力學性能，實現器件的半主動控制。在可調諧減振器、隔振器、傳感器和噪聲控制系統等領域都有報道。

1997年，福特公司成功研制出一種磁性彈性體襯套，并申請了專利。Ginder等人設計了具有變剛度控制的軸向和徑向磁性彈性體。2004年Farshad等人在噪聲控制儀器中使用了磁性彈性體材料。2007年，美國內華達大學（university of Nevada）的研究人員設計了一種新的隔振器，它同時使用了磁性彈性體和磁流變液。2008年，瑞典的Blom等人也設計了一種基于磁性彈性體的隔振器，可以顯著提高隔振器的能量控制效果。同年，Hu等人提出了一種同時含有磁性彈性體和磁流變液的復合阻尼器，用于直升機的減震。磁性彈性體也用于許多軍事應用。AMAD公司為海軍潛艇水下武器發射系統研制了一種磁性彈性體共減振器。減振器的剛度在1ms內可提高60%左右，對外部沖擊載荷具有良好的沖擊隔離效果，可作為具有安全保險功能的被動保護裝置。

4、磁性彈性體的發展現狀及存在問題

4.1、發展現狀

磁性彈性體的力學性能與磁性顆粒的種類和含量、基體材料體系、磁性顆粒表面活性劑及制備工藝有關。目前，磁性彈性體性能優化方法的研究主要集中在磁性粒子的含量、粒徑、增塑劑等添加劑以及結構工藝等方面。，但對磁性粒子的添加方法和制備工藝的改進還沒有系統的研究。

4.2、存在問題

磁性彈性體以其優異的性能在許多領域得到了廣泛的應用。然而，磁性功能材料一直存在一些矛盾的問題，如材料性能的不穩定性、同時提高力學性能和磁性的難度等。與材料的工程應用有很大的差距，極大地限制了材料的應用。其原因在于磁性粒子在彈性體中分散性差，磁性粒子在基體中團聚嚴重。解決上述瓶頸問題是磁性彈性體工程應用的前提。因此，提高磁性粒子在基體中的分散性和優化材料的性能是唯一的途徑，而改善材料制備工藝的唯一途徑就是優化材料的性能。