彈性膠泥的新型高性能可壓縮磁流變液研究

1、彈性膠泥的新型高性能可壓縮磁流變液研究1948 年 Rabinow 首先提出磁流變液(MRF), 而真正受到足夠重視始于1990年代。磁流變液作為一種智能材料, 在外加磁場中可在毫秒級內(nèi)改變其內(nèi)微米級分散相(如羰基鐵粉)的空間排列, 使其由零場下的牛頓流體變成半固態(tài)的塑性體, 亦使其表觀粘度等流變參量發(fā)生連續(xù)無級的可逆變化。磁流變液的這種優(yōu)良特使其廣泛應(yīng)用于汽車半主動懸架、抗地震構(gòu)造、光學(xué)鏡面拋光以及智能離合器等等領(lǐng)域。磁流變液的沉降問題是限制其大規(guī)模實用的主要因素之一。使用新型載體材料是解決該問題的一種有效途徑, 因此出現(xiàn)了 MR Grease、MR Polymer Gel(或 MR Gel

2、)、磁敏橡膠、High Viscosity MRF等新型磁流變材料。此外, Fuchs等還研究了可壓縮磁流變液(CMRF)。這些工作使材料的沉降問題有所改善(即沉降速率有所降低), 卻又產(chǎn)生了磁流變效應(yīng)下降、溫度穩(wěn)定性降低等問題。本文嘗試將高粘度線性聚硅氧烷作為磁流變液的載體液, 研制一種新型的磁流變材料磁流變彈性膠泥(MREC), 希望其不僅能充分吸收二者的優(yōu)點, 還能防止各自缺乏。如彈性膠泥載體液的較高粘度及特殊分子構(gòu)造能解決磁流變液的沉降問題, 并進(jìn)步磁場失效等非常情況下的工作可靠性, 而磁流變液的智能可控特性那么賦予其大范圍內(nèi)的流變可控性, 不需要彈性膠泥精準(zhǔn)地滿足某項特定場合下所需求

3、的粘度(或聚合度)。此外, 彈性膠泥的可壓縮性也仍將表達(dá)在磁流變彈性膠泥上, 使之可應(yīng)用于自帶儲能功能的減振器領(lǐng)域。事實上, 已有磁流變液材料(如MR Polymer Gel 等)采用非線性或低粘度的聚硅氧烷, 而沒有采用線性或高粘度的彈性膠泥, 以致沒有獲得磁流變彈性膠泥所具有的這些優(yōu)秀性能。磁流變彈性膠泥具有的高零場粘度, 致使其響應(yīng)高頻鼓勵的效果較差, 因此其潛在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑨槍φ駝宇l率較低的重型設(shè)備。本文合成彈性膠泥、制備磁流變彈性膠泥、表征樣品的構(gòu)造和性能, 并研究彈性膠泥的特殊螺旋分子構(gòu)造對其性能的影響。1 實驗方法1.1 樣品的制備制備了3種彈性膠泥樣品和基于該3種彈性膠泥的磁流變

4、彈性膠泥樣品。3種彈性膠泥樣品的粘度分別為200, 500和800 Pas。基于每種粘度的磁流變彈性膠泥樣品都包含有4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的羰基鐵粉, 即0%, 20%, 40%, 60%。1.2 性能測試用Nicolet iS1 (Thermo Scientific)全反射傅立葉變換紅外光譜分析設(shè)備檢測粘度為200 Pas彈性膠泥樣品,測其成分構(gòu)成,光譜檢測范圍為4000500 cm-1。用 VHX-600E (Keyence)光學(xué)數(shù)字顯微鏡對 200-20% 和 200-60%兩種磁流變彈性膠泥樣品進(jìn)展微米級觀測, 放大倍數(shù)設(shè)置為1000倍。所有的磁流變彈性膠泥樣品被靜置在室溫下 30 d, 在每天

5、固定時刻對其進(jìn)展照片記錄, 以觀察沉降性變化(本文中取彈性膠泥載體液粘度最小的200-40%樣品例如)。2.1 紅外光譜分析用全反射傅立葉紅外光譜法檢測彈性膠泥樣品200-0%的成分, 結(jié)果如圖 3 所示。圖譜中波峰值1259.30 和 793.91 cm-1分別表示甲基硅氧鏈接伸縮與甲基硅氧鏈接彎曲振動帶, 1015.04與2962.63 cm-1分別對應(yīng)硅氧烷Si-O-Si鏈接和甲基C-H鏈接。由圖3可知, 該彈性膠泥樣品在 10151084 cm- 1有著很寬的譜帶, 在 793, 1259 和 2962 cm- 1上有很強的尖峰。該圖譜與彈性膠泥的紅外光譜標(biāo)準(zhǔn)圖譜相符合, 說明已成功合

6、成出彈性膠泥。2.2 抗沉降性能磁流變彈性膠泥樣品200-40%的沉降實驗觀測結(jié)果, 可見沒有發(fā)生明顯的沉降現(xiàn)象。該彈性膠泥載體液的不透明性并不影響直接用肉眼來定性觀測磁流變彈性膠泥的沉降性能, 因為在本研究前期的實驗中使用較低粘度(50 Pas)的彈性膠泥載體液時發(fā)生了明顯的分層現(xiàn)象(紅色與灰色分層)。2.3 可壓縮性能壓縮性實驗結(jié)果中可觀察到, 彈性膠泥與磁流變彈性膠泥隨壓強增長時, 其體積壓縮率都得到較快增長。在141.5 MPa時500-0% (即彈性膠泥)的體積壓縮率到達(dá)21.15 %, 500-20%的體積壓縮率到達(dá)20.51%。兩者之間的體積壓縮率存在0.64%的微小差異, 是樣

7、品500-20%中20%羰基鐵粉含量造成的(固體顆粒壓縮性忽略不計)。然而該差值非常小, 可見參加適量的鐵粉含量對彈性膠泥的壓縮性能影響很小, 這有利于在智能液體彈簧應(yīng)用中同時利用磁流變彈性膠泥的可控性與體積壓縮特性。值得說明的是, 相比傳統(tǒng)可壓縮磁流變液(如文獻(xiàn)15), 其體積壓縮率絕大部分由添加的可壓縮微球奉獻(xiàn), 而磁流變彈性膠泥實現(xiàn)此壓縮率并沒有使用任何可壓縮添加劑。3 結(jié) 論合成的三種粘度的彈性膠泥和相應(yīng)的磁流變彈性膠泥樣品, 其傅立葉變換紅外光譜與(鐵道部運輸局的)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)符合。樣品在 30 d 內(nèi)沒有發(fā)生沉降。根據(jù)彈性膠泥的特殊微觀構(gòu)造分析了其抗沉降機理。磁流變彈性膠泥表現(xiàn)出優(yōu)異的流變性能, 其流變曲線根本符合賓漢模型。發(fā)現(xiàn)一種V形槽磁流變效