磁流变塑性体力学性能优化与机理研究

论文摘要

磁流变塑性体(MRP)是一种磁敏软材料,主要由磁性颗粒分散到非磁性塑性基体组成。在没有施加磁场的时候,MRP表现成橡皮泥状,可以被轻易改变成任意形状,并且在撤去外力后,MRP可以在一定时间内保持该形状而不发生变化。当施加磁场时,材料内部的磁性颗粒会在磁场的作用下移动,形成链状或网状的结构,此时材料表现出弹性并有较大的屈服应力。磁场撤去后,颗粒会保持在加磁时的位置,使颗粒形成的微结构得以保存。这一特性使得同时观测材料内部结构与测试材料力学性能成为可能,有助于研究宏观力学行为与微观结构的联系。由于这种材料表现出了较高的磁流变效应,并且无颗粒沉降的问题,是一种性能优良的磁流变材料。其在减振降噪,智能驱动与传感等领域有着广阔的应用前景。因而对MRP的研究对于理论分析及应用具有重要意义。作为一种新兴磁流变材料,MRP的性能测试、优化设计以及计算模拟已经取得初步成果,但是对这种材料的系统性研究还较少。同时,对于MRP在较长、较复杂加载下的可靠性还缺乏研究。针对这部分工作的不足,本文从分散颗粒与基体两个角度优化拓展了MRP的体系并进行了表征与测试,分析了不同因素对MRP性能的影响。接着研究了MRP在振荡剪切环境下力学性能的变化,分析了其成因并通过计算进行验证。具体研究内容包括以下几个方面:1.混合钕铁硼颗粒的MRP的性能研究。从颗粒的角度出发,研究了混合颗粒对MRP力学性能的影响。钕铁硼颗粒有着较大的矫顽力,将其作为分散相获得的MRP在磁场变为零时依旧留有剩磁。这有助于结构的保留;将硬磁的钕铁硼颗粒与羰基铁粉颗粒混合得到的混合体系在磁场下可能获得较复杂的结构,同时硬磁颗粒的引入会导致磁场加载时响应的不对称。为此制备了不同混合比例的软/硬磁颗粒作为分散相的MRP,测试了其在对称/不对称磁场下的力学行为,接着研究了硬磁塑性体在阶跃磁场下的变化,并提出了机理解释。2.基体力学性质对MRP性能的影响。从基体的力学性质的角度出发,研究了MRP的磁流变效应与蠕变回复行为。首先通过实验获得了扩链交联反应时长不同的聚氨酯基体,比较了蠕变行为,测试了纯基体的流变曲线。接着将铁粉混入获得MRP,研究了其在振荡剪切环境下非线性区间的变化、进而测试了在线性区间的磁流变效应。实验表明,不完全交联的MRP具有较小的初始模量和较高的磁流变效应,且更易向非线性区间转变。随后测试了不同磁场大小、不同温度、不同应力水平下材料的蠕变回复曲线。进一步确定了不完全反应的基体制备的MRP柔度更大,这与纯基体的性能区别并不一样。提出了基于颗粒与基体之间的相互作用参数来定性地解释实验结果。3.振荡剪切下MRP力学性能的变化研究。在振荡剪切测试MRP储能模量时发现MRP的零场储能模量在磁场撤去后并不能恢复至初始值。为此测试了MRP在线性变化磁场与阶跃变化磁场下储能模量与法向力的变化。发现仅在磁场缓慢下降时才能发现这一现象。重复的加载表明,该储能模量的提升是与加载历史无关的,仅与最后一次磁场的变化形式有关。零场储能模量的增加在重复的加载中仅会发生一次,且在一个阶跃磁场下就会恢复。通过分析这一系列的现象,提出了MRP在振荡剪切下磁场下降时的结构变化的原因,并通过计算模拟验证了这一现象。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵文强

导师: 龚兴龙

关键词: 磁流变塑性体,颗粒微结构,磁流变效应,蠕变回复行为,钕铁硼

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,材料科学

单位: 中国科学技术大学

分类号: TB301

总页数: 104

文件大小: 9562K

下载量: 176

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