基于磁机械阻尼的磁流变弹性体及其损耗因子可控性研究

磁流变弹性体（后称MRE）是一种模量可控型智能材料，但其损耗因子在外磁场作用下变化幅值偏小且可控性不足是一个国内外研究普遍关注的问题。其原因在于，MRE的损耗因子源自粉末颗粒间的摩擦阻尼及高分子基体的粘弹阻尼。在我们前期研究中发现，Fe-Cr基阻尼合金的磁机械损耗因子不仅数值较高（比羰基铁高一个量级），而且可在交变磁场作用下发生急剧衰减，具有很好的可控性。本课题拟采用在聚合物基体中添加微米尺度的Fe-Cr基阻尼合金颗粒的方法，研制损耗因子可控型的MRE。课题将深入探讨不同频率和强度的交变磁场作用下，MRE损耗因子的变化规律；分析MRE的损耗因子的基本构成及产生机理；揭示高聚物基体条件下，磁机械滞后型阻尼的形成机理；阐明MRE损耗因子的磁控原理和方法。本课题在揭示磁机械阻尼物理本质的同时，将有可能导致一些新现象的发现和新概念的建立，为研制高性能智能弹性体材料和智能减振器件提供新的方法和途径。

磁流变弹性体（后称MRE）的阻尼源自高分子基体的粘弹阻尼及较低成分的粉末颗粒间的摩擦阻尼。这种阻尼机制可控性低，很难实现器件在谐振和隔振频段的减振的智能控制。Fe-Cr 基阻尼合金具有较强的耐蚀性，更加重要的是，其磁机械损耗因子不仅数值较高（比羰基铁高一个量级），而且可在交变磁场作用下发生急剧衰减，具有很好的可控性。因此，课题试图采用在聚合物基体中添加微米尺度的Fe-Cr 基阻尼合金颗粒的方法，研制损耗因子可控的MRE。.课题的研究内容包括以电火花方法制备粒度不同的Fe-Cr-Mo合金软磁颗粒，采用偶联剂对颗粒进行包裹，经过均匀化处理后经过交联制备硅橡胶基磁流变弹性体。课题深入探讨了偶联剂对MRE力学性能及微观组织的影响；分析了交变磁场作用下MRE 损耗因子的变化规律；分析MRE 的损耗因子的基本构成及产生机理；阐明MRE 损耗因子的磁控原理和方法。. 研究结果表明，偶联剂对MRE的性能具有突出的作用：1是对基体的增塑效果，降低MRE的弹性模量；2是提高了颗粒与基体界面之间的相容性，减少了MRE中的孔洞，提高了MRE的致密性。其结果是NDZ101偶联剂使MRE的初始弹性模量下降明显，而KH560的增塑效果不明显。前者在扫描电镜下进行观察发现组织的链状结构较完整，使得MRE的磁流变效应最高。偶联剂还使MRE的拉伸性能有所增加。. 其次，合金颗粒的粒度对MRE的力学性能具有重要作用。随着颗粒粒径的增加，初始弹性模量G0逐渐减小，饱和磁致弹性模量ΔG增加到最大值后逐渐减小。根本原因在于，颗粒的尺寸越大，沿磁场方向的相邻颗粒之间的距离就越长。基于颗粒尺寸与剪切模量之间的相互关系，存在一个最优颗粒尺寸。而且，MRE的磁流变效应可以通过颗粒直径的调整获得最优化。研究还发现，磁场（0~500mT）的增加使储能模量变化较大。其中，KH560导致MRE的储能模量和剪切模量具有较大的增幅，增幅超过200%。. 研究还发现，当颗粒含量达到70%时，MRE损耗因子达到最大值0.24。在可控性方面，随着施加磁场的升高，MRE损耗因子会发生增大的现象，证明了MRE的损耗因子具有一定的可控性。例如，当磁场达从0到500mT，60%颗粒含量的磁流变弹性体的损耗因子从0.26增加到0.30左右，增幅值达15.4%。这表明，MRE的损耗因子可通过外场变化实现主动控制。