磁敏弹性体多轴大变形磁-力耦合的实验研究与本构表征

Magnetorheological elastomer (MREs) has become increasing attractive within industry and academia. However, the reliability of MREs during its service becomes the neck problem for its wide using, hindering its engineering application. A key challenge and prerequisite for reliability study of MREs is to characterize and model its constitutive behavior which is the target of this project. This project proposes to build a large deformation multi-axial magneto-elastic coupled test system, to investigate the effect of type of magnetic particles, size, volume ratio, the elastomers and the intensity of the magnetic field on the mechanical behaviors of isotropic and anisotropic MREs under complex multi-axial finite deformation. at the same time, micromechanical approach will be explored to explain and understand the magneto-elastic mechanism. Finally, a continuum mechanics based magneto-elastic coupled constitutive model will be established, based on which the accurate modeling and reliability study can be fulfilled. The research results will expand the using of MREs in various engineering areas.

磁敏弹性体（以下称MREs）是近20年来学术界和工业界关注的热点之一。然而MREs应用中的可靠性问题成为制约其进一步发展的瓶颈，阻碍了MREs元件的工程应用。开展MREs可靠性研究的前提是其大变形磁-力耦合本构行为的准确表征和模拟。本项目拟建立MREs多轴大变形磁-力耦合实验系统，研究磁性颗粒种类、尺寸、体积分数、基材种类和外磁场强度对各向同性和各向异性MREs在复杂多轴大变形模式下的力学特性的影响。开展MREs复杂网络多物理场细观力学研究，从材料细观结构解释MREs多轴大变形模式下的磁-力耦合力学特性。通过上述研究进一步提升对MREs的磁-力耦合机理的认知和理解，在此基础之上，结合连续介质力学理论，建立MREs大变形磁-力耦合本构模型，为实现MREs性能的精确模拟和可靠性研究以及性能改进奠定理论基础，从而进一步推动MREs学科发展和工程应用。

磁敏弹性体（或称磁流变弹性体，Magneto-rheological Elastomers, 简称MREs）是一种将微米或纳米级尺度的软磁性粒子按照一定的比例分散在传统的高分子材料中制备而成的一种性能通过磁场可调的复合材料。MREs材料的力学性能（主要是模量和阻尼等）可以通过外加磁场实现连续和可逆的实时控制，因此在振动控制、传感系统和智能结构等领域具有广泛应用前景。复杂多轴大应变载荷下橡胶元件的可靠性是学术界和工业界的关键问题，对MREs材料可靠性问题更为突出，成为制约MREs进一步发展的学术瓶颈，阻碍了MREs的工程应用。同时，MREs材料在智能结构中应用时通常会发生大变形。由于MREs在使用过程中伴有磁场，其力学行为又与磁场紧密相关，是一种磁-力耦合行为。对MREs的可靠应用的前提是对其磁-力耦合本构行为的科学表征和有效数值实施。本项目主要研究了MREs材料的多轴大变形磁-力耦合行为及MREs材料的初始裂纹问题。研究发现，磁敏橡胶的多轴拉伸曲线与传统橡胶的拉伸曲线相似，都呈现反S型形状。随着磁场强度的增加，拉伸曲线的整体斜率不断增加，但当磁场达到一定强度后，曲线的斜率不再增加，这表明磁敏橡胶种的铁粉已经趋向于磁饱和。传统橡胶的应变能密度方程、本构建模在磁流变橡胶中均适用。尝试运用酚醛树脂-丁腈橡胶自修复剂来调控MREs的初始裂纹。总共发表和接受发表论文9 篇，申请专利 13项，出版中文译著 1 本。