高性能磁流变弹性体的研制

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磁流变弹性体是磁性颗粒与高聚物(如橡胶等)混合,在外加磁场下固化后形成的一种新型智能材料。在固化过程中,由于磁流变效应,磁性颗粒在高聚物基体中形成链状、柱状或层状有序结构;固化后,这种有序结构仍然根植在高聚物基体中。磁流变弹性体的力学性能可由外加磁场控制,在工程上有较大的应用前景。 本文第一章回顾了磁流变材料的研究历史、研究现状及应用,重点讨论磁流变弹性体的最新研究进展,概述磁流变弹性体的制备,归纳磁流变技术在工程中的应用,并展望其应用前景。 第二章对磁流变弹性体的两个重要组成部分——高聚物基体和铁磁性颗粒的性质进行分析,并介绍羰基铁粉的制备,和高聚物材料的粘弹性和高弹性。从材料设计的理念出发,详细研究天然橡胶基磁流变弹性体的制备方法;使用力磁耦合动态力学测量仪测量材料的磁流变效应。为寻求各单元工艺过程的优化设计,系统总结固化磁场,磁性颗粒含量,颗粒粒径对磁流变效应的影响。 第三章研究了分别在无场和有场条件下,研究纳米Fe<,3>O<,4>颗粒掺杂对天然橡胶基磁流变弹性体的微结构和磁流变性能的影响。实验证明纳米Fe<,3>O<,4>掺杂使得材料具有更大的储能模量;无场时,纳米颗粒掺杂体系的绝对磁流变效应有所增强;有场时,纳米颗粒掺杂不利于磁流变效应的提高,进而表明:尺寸较大的颗粒更有利于提高预结构化磁流变弹性体的磁流变效应。 第四章从化学修饰的角度,首次使用表面活性剂对颗粒进行表面处理。同时对比研究增塑剂、偶联剂、非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、复合表面活性剂等改性剂对材料的磁流变效应、微观结构以及力学性能的影响。实验结果表明增塑剂虽然能提高磁流变效应,但由于没有表面活性,其增强能力比较有限,并且降低材料的力学性能;偶联剂具有较弱的表面活性,但其较强的增塑性同样会降低材料的机械强度。在比较单一表面活性剂,同族复合表面活性剂和异族复合表面活性剂的修饰效应后,探究颗粒和基体界面、磁性颗粒微观结构等各种因素和磁流变效应的关系。研究表明,复合表面活性剂捌有比单一表面活性剂较强的表面活性。当两种不同性状的表面活性剂复合时,它们不仅能改善材料的制备工艺,而且在不影响材料的机械性能时,降低弹性体的零场剪切模量,提高相对剪切模量增量;通过扫描电镜观测样品的微结构,发现表面活性剂修饰后的铁粉与材料能够更好的融合,铁颗粒团聚后形成特殊的自组装结构,这种结构有利于提高材料的磁流变效应。本文主要从材料优化设计的角度,为高性能磁流变弹性体的研制提供了可行性方案。当然这些工作是初步的,需要进一步的改进与完善。
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