磁敏橡膠超聲模量的測量

磁敏橡膠超聲模量的測量

0磁敏橡膠材料的動態(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，具有動態(tài)磁體的切割模型。當磁體發(fā)生變化時，可以及時控制剛性，并且可以廣泛應用于振動的主動控制。磁敏橡膠的力學性能可以隨外加磁場感應強度變化而變化,尤其當磁敏橡膠在磁場下制備時,磁性顆粒會在磁場方向形成鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu),垂直于磁場方向的剪切性能受磁場的影響較為明顯,成為人們研究的重點。本文測試了各向同性磁敏橡膠的彈性性能,與現(xiàn)有的各向同性復合材料模型進行了對比研究,通過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行為。目前,磁敏橡膠的材料和器件的應用尚未達到工業(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與力學性能矛盾的現(xiàn)象,為了獲得相對較高的磁流變效應,研究人員主要采用室溫固化有機硅橡膠和硅膠等軟性材料為基體,而這些材料的力學性能較差,限制了磁敏橡膠器件在高強度環(huán)境下的應用。1彈性模量的測量首先,采用脈沖回波技術(shù)測量磁敏橡膠的縱向模量(c11),即采用射頻技術(shù)發(fā)射縱向聲波進入材料來測量c11,記錄回波并計算材料的縱向聲速。脈沖縱向射頻波頻率約1MHz,由一個接觸傳感器發(fā)射聲波進入磁敏橡膠,用測試系統(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。縱波為壓縮波,顆粒運動方向平行于縱波的傳播方向,從回波傳播的間隔時間,可計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給出了實測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數(shù)的增加,各向同性磁敏橡膠的c11呈上升趨勢,從純有機硅橡膠的9GPa增加到含鐵顆粒填料體積分數(shù)為30%的24GPa。含鐵顆粒填料體積分數(shù)相同時,在顆粒鏈方向上顆粒成鏈磁敏橡膠的c11遠遠高于各向同性磁敏橡膠。從實測各向同性磁敏橡膠的c11可以計算出其體積模量(K),如式(2)所示。K=λ+2G3=c11?3G4Κ=λ+2G3=c11-3G4(2)因為各向同性磁敏橡膠的G和c11相差很大,其K和c11幾乎相等。對于完全彈性或平衡時的黏彈性固體,平衡時的彈性模量(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具有時間依賴性,對時域積分,把E(t)變成G和υ的形式。在類硅橡膠的軟彈性固體中,定義較寬的時域,K(t)往往比G(t)大2個或2個以上的數(shù)量級。這種情況下,所對應的υ非常接近0.5,υ對時間的依賴性可以忽略,式(3)可簡化為:E=3G(t)(4)式(3)適用于一般聚合物的拉伸或剪切試驗。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靜力動態(tài)撓度曲線采用動態(tài)力學分析儀對含鐵顆粒填料體積分數(shù)不同的磁敏橡膠進行三點彎曲試驗,用Rayleigh方法計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Z0非常小,僅0.01～0.1mm。因為相對于振動系統(tǒng)的質(zhì)量,樣本的質(zhì)量非常小,故可以假定,在振動中矩形樣本的動態(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數(shù)的增加,E從1.2MPa增加到2.7MPa。當施加外部磁場時,含鐵顆粒填料體積分數(shù)小于15%時,E沒有變化。繼續(xù)增加外部磁場強度,含鐵顆粒填料體積分數(shù)達到27%時,E的最大增幅約為0.5MPa。含鐵顆粒填料體積分數(shù)為17%～25%時,外部磁場強度從0.13T增加至0.3T,E變化很小。從圖3可以看出,在無外加磁場以及外加磁場強度分別為0.13T和0.3T時,各向同性磁敏橡膠的剪切模量隨含鐵顆粒填料體積分數(shù)增加而增大。無外加磁場時,含鐵顆粒填料體積分數(shù)從0增加到30%時,磁敏橡膠的剪切模量從0.4MPa增加到0.9MPa左右。施加外部磁場時,含鐵顆粒填料體積分數(shù)超過15%時,磁敏橡膠的剪切模量開始增加。由于施加外部磁場,含鐵顆粒填料體積分數(shù)介于25%～27%,剪切模量的最大增幅達到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量的方向。從圖4可以看出,在平行于顆粒鏈的方向,沒有施加外部磁場時,含鐵顆粒填料體積分數(shù)從0增加到17%時,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數(shù)超過17%后,E保持在一個相當穩(wěn)定的水平。當施加外部磁場時,含鐵顆粒填料體積分數(shù)在25%～30%時,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,沒有施加外部磁場時,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數(shù)為20%時,E達到最高值為3.7MPa。當施加外部磁場時,含鐵顆粒填料體積分數(shù)超過20%后,E增加幅度較小。含鐵顆粒填料體積分數(shù)為17%～30%時,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。這個假設基于有關(guān)磁流變液的研究,在磁流變液中顆粒可以相當自由地沿著磁力線排列,形成相應的顆粒陣列。從立體對稱來分析,3個相互垂直方向測量的彈性模量值應在同一數(shù)量級范圍內(nèi)。本文研究結(jié)果表明,含鐵顆粒填料體積分數(shù)超過15%時,在平行和垂直于顆粒鏈方向所測得的E值有顯著的不同。這是因為含鐵顆粒填料體積分數(shù)超過15%時,磁敏橡膠的顆粒成鏈結(jié)構(gòu)不具有立體對稱性。因此,在進行動態(tài)彎曲試驗時,彎曲軸線與顆粒鏈方向相同,顆粒鏈平行方向上的E遠遠高于垂直方向上的測量值。同時,在這兩個測量方向上,顆粒成鏈磁敏橡膠的G和c11也應該不相同。4磁敏橡膠彈性模量的確定(1)討論了磁敏橡膠超聲測試的基本方法和參數(shù),