磁敏橡膠超聲模量的測(cè)量

磁敏橡膠超聲模量的測(cè)量

0磁敏橡膠材料的動(dòng)態(tài)特性磁敏橡膠材料是一種多功能的磁體材料。它由磁性橡膠和彈性材料組成，具有動(dòng)態(tài)磁體的切割模型。當(dāng)磁體發(fā)生變化時(shí)，可以及時(shí)控制剛性，并且可以廣泛應(yīng)用于振動(dòng)的主動(dòng)控制。磁敏橡膠的力學(xué)性能可以隨外加磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度變化而變化,尤其當(dāng)磁敏橡膠在磁場(chǎng)下制備時(shí),磁性顆粒會(huì)在磁場(chǎng)方向形成鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu),垂直于磁場(chǎng)方向的剪切性能受磁場(chǎng)的影響較為明顯,成為人們研究的重點(diǎn)。本文測(cè)試了各向同性磁敏橡膠的彈性性能,與現(xiàn)有的各向同性復(fù)合材料模型進(jìn)行了對(duì)比研究,通過(guò)比較各向同性和顆粒成鏈磁敏橡膠的彈性性能,揭示了磁敏橡膠材料的不同力學(xué)行為。目前,磁敏橡膠的材料和器件的應(yīng)用尚未達(dá)到工業(yè)化和商業(yè)化的要求,這主要是由于目前研制的磁敏橡膠存在磁流變效應(yīng)與力學(xué)性能矛盾的現(xiàn)象,為了獲得相對(duì)較高的磁流變效應(yīng),研究人員主要采用室溫固化有機(jī)硅橡膠和硅膠等軟性材料為基體,而這些材料的力學(xué)性能較差,限制了磁敏橡膠器件在高強(qiáng)度環(huán)境下的應(yīng)用。1彈性模量的測(cè)量首先,采用脈沖回波技術(shù)測(cè)量磁敏橡膠的縱向模量(c11),即采用射頻技術(shù)發(fā)射縱向聲波進(jìn)入材料來(lái)測(cè)量c11,記錄回波并計(jì)算材料的縱向聲速。脈沖縱向射頻波頻率約1MHz,由一個(gè)接觸傳感器發(fā)射聲波進(jìn)入磁敏橡膠,用測(cè)試系統(tǒng)記錄回波。為了確保接觸良好,在磁敏橡膠及傳感器接觸表面之間涂抹硅油?？v波為壓縮波,顆粒運(yùn)動(dòng)方向平行于縱波的傳播方向,從回波傳播的間隔時(shí)間,可計(jì)算出材料中聲波的傳播速度。聲波的傳播速度與c11的關(guān)系如式(1)所示。c11=λ+2G=ρν2(1)式中λ——Lame常數(shù),GPaG——材料的剪切模量,GPaρ——材料的密度,kg/m3ν——聲波在材料中的傳播縱向速度,m/sc11——磁敏橡膠的縱向模量,GPa圖1給出了實(shí)測(cè)的各向同性和顆粒成鏈磁敏橡膠的c11,顆粒成鏈磁敏橡膠c11的測(cè)量方向平行顆粒鏈的方向。從圖1可以看出,隨著含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)的增加,各向同性磁敏橡膠的c11呈上升趨勢(shì),從純有機(jī)硅橡膠的9GPa增加到含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)為30%的24GPa。含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)相同時(shí),在顆粒鏈方向上顆粒成鏈磁敏橡膠的c11遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各向同性磁敏橡膠。從實(shí)測(cè)各向同性磁敏橡膠的c11可以計(jì)算出其體積模量(K),如式(2)所示。K=λ+2G3=c11?3G4Κ=λ+2G3=c11-3G4(2)因?yàn)楦飨蛲源琶粝鹉z的G和c11相差很大,其K和c11幾乎相等。對(duì)于完全彈性或平衡時(shí)的黏彈性固體,平衡時(shí)的彈性模量(E)與G、K的關(guān)系如式(3)所示。E=G(3λ+2G)λ+G=9GKG+3K=2G(1+υ)E=G(3λ+2G)λ+G=9GΚG+3Κ=2G(1+υ)(3)式中υ——柏松比E——彈性模量,GPaK——體積模量,GPa由于G和K具有時(shí)間依賴性,對(duì)時(shí)域積分,把E(t)變成G和υ的形式。在類硅橡膠的軟彈性固體中,定義較寬的時(shí)域,K(t)往往比G(t)大2個(gè)或2個(gè)以上的數(shù)量級(jí)。這種情況下,所對(duì)應(yīng)的υ非常接近0.5,υ對(duì)時(shí)間的依賴性可以忽略,式(3)可簡(jiǎn)化為:E=3G(t)(4)式(3)適用于一般聚合物的拉伸或剪切試驗(yàn)。式(4)僅適用于υ非常接近0.5的小變形和小變形率的材料。2u3000靜力動(dòng)態(tài)撓度曲線采用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀對(duì)含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)不同的磁敏橡膠進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),用Rayleigh方法計(jì)算各向同性磁敏橡膠的彈性模量。與靜態(tài)情況相比,施加外部振蕩力F0,各向同性磁敏橡膠矩形樣本的最大撓度為Z0。Z0=F04Ews(Lshs)3Ζ0=F04Ews(Lshs)3(5)式中ws——樣本寬度,mmLs——樣本長(zhǎng)度,mmhs——樣本高度,mmZ0——最大撓度,mmF0——施加的外部振蕩力,N在共振時(shí)Z0非常小,僅0.01～0.1mm。因?yàn)橄鄬?duì)于振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量,樣本的質(zhì)量非常小,故可以假定,在振動(dòng)中矩形樣本的動(dòng)態(tài)撓度曲線與相同大小的靜力所造成的靜態(tài)撓度曲線具有相同的形狀。彈簧常數(shù)k為樣本長(zhǎng)度上改變的單位力。靜力F0所造成的靜撓度為:Z0=F0kΖ0=F0k(6)E=k4ws(Lshs)3E=k4ws(Lshs)3(7)從圖2可以看出,隨著含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)的增加,E從1.2MPa增加到2.7MPa。當(dāng)施加外部磁場(chǎng)時(shí),含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)小于15%時(shí),E沒(méi)有變化。繼續(xù)增加外部磁場(chǎng)強(qiáng)度,含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)達(dá)到27%時(shí),E的最大增幅約為0.5MPa。含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)為17%～25%時(shí),外部磁場(chǎng)強(qiáng)度從0.13T增加至0.3T,E變化很小。從圖3可以看出,在無(wú)外加磁場(chǎng)以及外加磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.13T和0.3T時(shí),各向同性磁敏橡膠的剪切模量隨含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)增加而增大。無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí),含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)從0增加到30%時(shí),磁敏橡膠的剪切模量從0.4MPa增加到0.9MPa左右。施加外部磁場(chǎng)時(shí),含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)超過(guò)15%時(shí),磁敏橡膠的剪切模量開(kāi)始增加。由于施加外部磁場(chǎng),含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)介于25%～27%,剪切模量的最大增幅達(dá)到10%。3充填體狀“n”的變化顆粒成鏈磁敏橡膠的E在很大程度上依賴于測(cè)量的方向。從圖4可以看出,在平行于顆粒鏈的方向,沒(méi)有施加外部磁場(chǎng)時(shí),含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)從0增加到17%時(shí),顆粒成鏈磁敏橡膠的E從1.2MPa增加到2.5MPa,但含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)超過(guò)17%后,E保持在一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的水平。當(dāng)施加外部磁場(chǎng)時(shí),含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)在25%～30%時(shí),E增加很小,最大改變量約為0.5MPa。從圖4還可以看出,在垂直于顆粒鏈的方向,沒(méi)有施加外部磁場(chǎng)時(shí),顆粒成鏈磁敏橡膠的E急劇增加20%后下降。含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí),E達(dá)到最高值為3.7MPa。當(dāng)施加外部磁場(chǎng)時(shí),含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)超過(guò)20%后,E增加幅度較小。含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)為17%～30%時(shí),E出現(xiàn)最高值為1.3MPa。顆粒成鏈磁敏橡膠往往被視為具有立方晶格結(jié)構(gòu)的材料。這個(gè)假設(shè)基于有關(guān)磁流變液的研究,在磁流變液中顆?？梢韵喈?dāng)自由地沿著磁力線排列,形成相應(yīng)的顆粒陣列。從立體對(duì)稱來(lái)分析,3個(gè)相互垂直方向測(cè)量的彈性模量值應(yīng)在同一數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)。本文研究結(jié)果表明,含鐵顆粒填料體積分?jǐn)?shù)超過(guò)15%時(shí),在平行和垂直于顆粒鏈方向所測(cè)得的E值有顯著的不同。這是因?yàn)楹F顆粒填料體積分?jǐn)?shù)超過(guò)15%時(shí),磁敏橡膠的顆粒成鏈結(jié)構(gòu)不具有立體對(duì)稱性。因此,在進(jìn)行動(dòng)態(tài)彎曲試驗(yàn)時(shí),彎曲軸線與顆粒鏈方向相同,顆粒鏈平行方向上的E遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于垂直方向上的測(cè)量值。同時(shí),在這兩個(gè)測(cè)量方向上,顆粒成鏈磁敏橡膠的G和c11也應(yīng)該不相同。4磁敏橡膠彈性模量的確定(1)討論了磁敏橡膠超聲測(cè)試的基本方法和參數(shù),