磁流變固體材料在氣體密封中的應(yīng)用

磁流變固體材料在氣體密封中的應(yīng)用

1固體磁流變材料磁體激勵材料是一種具有可變特性的智能材料。在磁體的作用下，其演化特性可以是連續(xù)的、快速的和可逆的。近十余年來對磁流變材料的研究引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的普遍關(guān)注。研究最多的是磁流變液。它一般是由固體顆粒分散溶于載液中制成的非膠體懸浮液在磁流變液中使用最多的固體顆粒是鐵、鈷、鎳等尺寸為微米級的軟磁材料。為了改善磁流變液的團聚穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性,研究者們做了許多工作,如加入表面活性劑、防沉劑,用有機聚合物包覆磁性顆粒等,取得了許多進展。但由于這些磁性材料的密度較高(7～8g/cm磁流變彈性體(magnetorheologicalelastomer,縮寫為MRE)是磁流變液的固體模擬。在磁流變彈性體中載液被橡膠所代替。使用磁流變固體材料的明顯優(yōu)點是顆粒不會隨時間而沉降,也不需要將磁流變材料保持在工作位置的密封裝置。然而,磁流變彈性體只能工作于屈服前的狀態(tài),即具有可受磁場控制的彈性模量,而磁流變液通常工作于屈服后的狀態(tài)。這就使得磁流變液與磁流變彈性體各有其獨特之處,而不能取而代之。本文對近年來國內(nèi)外磁流變彈性體的研究現(xiàn)狀進行綜述,并對其應(yīng)用前景進行展望。2磁流變材料的粘彈性特性由磁性顆粒分散于基體中制成聚合物(彈性體)的歷史已有20余年,但只有在1990年以后這種材料在磁場下的粘彈性特性才受到重視日本豐田中心研發(fā)實驗室我國在磁流變材料方面的研究起步較晚,且研究范圍主要在磁流變液及其應(yīng)用方面。自2002年起才有磁流變彈性體的研究論文發(fā)表3磁流變彈性體的結(jié)構(gòu)表征磁流變彈性體主要由基體材料和分散其中的磁性顆粒組成?；w材料有硅橡膠和天然橡膠兩種。用前者制備的彈性體較軟,而用后者制備的彈性體較硬。磁性顆粒的選擇與磁流變液相似,要求顆粒具有高磁導(dǎo)率、低剩磁和高飽和磁化強度。高磁導(dǎo)率和高飽和磁化強度提供了顆粒間較大的吸引力,從而有較強的磁流變效應(yīng);低剩磁的顆粒在磁場消除后不會繼續(xù)吸在一起,從而有可逆的磁流變效應(yīng)。常用的磁性顆粒是球狀、幾微米直徑的羰基鐵粉。制備磁流變彈性體的工藝過程與制備一般彈性體或普通橡膠的過程相似,主要是材料混合和固(硫)化兩個階段。首先將液體狀的基體與磁性顆粒均勻混合,然后將混合物注入模具,在一定溫度下緩慢固化。固化可在無磁場條件下進行,這時顆粒朝向?qū)⒊孰S機分布,從而獲得各向同性的材料;也可以在一定磁場下固化,這時磁場將導(dǎo)致顆粒形成鏈狀或更復(fù)雜的結(jié)構(gòu),而固化后磁性顆粒將保持這些結(jié)構(gòu)不變,從而獲得各向異性的材料。圖1是兩種制備工藝所得磁流變彈性體的微觀結(jié)構(gòu)的電鏡照片(每幅照片寬75mm,高60mm)。圖1是體積分數(shù)為0.27,圖1(a)為零磁場下硫化,圖1(b)是在0.5T磁場下硫化。44.1磁流變彈性體的作用由于磁流變彈性體屬于固體材料,所以與磁流變液有所不同,其工作模式主要有剪切模式和拉-壓模式兩種,如圖2所示。磁流變彈性體固化或粘貼在兩磁極之間,并受磁場作用。當(dāng)移動磁極受力方向與磁場方向垂直時,彈性體受剪切作用(圖2(a));當(dāng)移動磁極受力方向與磁場方向一致時,彈性體受拉-壓作用(圖2(b))。在做剪切實驗時常采用一種“三文治”結(jié)構(gòu),即在圖2(a)移動磁極的上方再放置一層彈性體以及一個固定磁極。4.2磁流變彈性體的動力學(xué)特性磁流變彈性體在磁場作用下常表現(xiàn)為線性粘彈性體的動力學(xué)特性,即其性能介于線彈性體和線性粘性流體之間。描述其動態(tài)特性的指標(biāo)包括復(fù)模量、儲能模量、損耗模量、損耗因子(tgShigaJolly周剛毅等人通過實驗研究了在剪切變形時磁流變彈性體的動力學(xué)特性由于磁流變彈性體使用了橡膠基體材料,從而允許使用更大的顆粒。LokanderLokander上述實驗研究多是在剪切模式下,而Bellan除了上述實驗研究外,還有一些研究試圖建立磁流變彈性體的磁流變效應(yīng)的理論模型,如文獻5彈性體的應(yīng)用研究利用磁流變彈性體在磁場作用下的流變特性可開發(fā)各種簡單的變剛度裝置,例如,自適應(yīng)可調(diào)吸振器,剛度可調(diào)的支座和懸架等。目前在國內(nèi)外文獻中出現(xiàn)的對磁流變彈性體的研究主要處于理論和實驗階段,應(yīng)用研究還較少。美國福特汽車公司已申請了使用磁流變彈性體的汽車懸架套筒專利Ginder6磁流變彈性體的應(yīng)用綜上所述,磁流變彈性體在磁場作用下能顯著改變其彈性模量,其應(yīng)用裝置具有無需密封、性能穩(wěn)定、響應(yīng)迅速等特點,在需要進行剛度控制的小振幅(小應(yīng)變)振動系統(tǒng)中極具應(yīng)用前景。目前關(guān)于磁流變彈性體的研究尚處于實驗室研究階段,還沒有商品化的產(chǎn)品應(yīng)用。磁流變彈性體的磁流變效應(yīng)(彈性模量的變化幅度)還有待提高,有些性能的研究還未見涉及,如溫度穩(wěn)定性、老化特性等。這些問題可通過研究材料的配方得以解決。制備磁流變效應(yīng)強、長期穩(wěn)定性好的磁流變彈性體是材料科學(xué)界深入研究的方向,而開發(fā)磁流變彈性體的應(yīng)用則是工程科學(xué)技術(shù)人員努力的目標(biāo)。