导电性磁流变弹性体的研制及其力学性能研究

The mechanical and electrical properties of the magnetorheological elastomer (MRE)can be quickly and reversibly changed under externally applying the stimuli, thus they have been widely applied in the vibration control, aerospace, safe protection, smart sensor, and etc. Recently, with the increasing of the requirement for the smart materials, conductive MRE has attracted more and more research interests due to their special mechanical-electrical and magnetic-electrical coupling properties.To satisfy the short points in the area of conductive MRE, we proposed this proposal based on our pre-experiments.This application is focused on preparing the high performanced conductive MRE, investigating the coupling properties of these materials, optimizing the preparing method, and establishing the testing systems. Both the experimental and theoretical methods will be conducted to investigate the mechanical/electrical behavior of the composite materials under force or magnetic field. The microstructure dependent conductivity and mechanical property will also be analyzed. In this proposal, the real conductive mechanism for the MRE under the multi-coupling field will be systematically studied. A dynamic model which can correctly describe the mechanical/electrical properties will be established and the simulations for the magnetic-mechanical-electrical coupling behavior will be done. The above study can supply much valuable information for understanding the magnetorheological mechanism of this kind of smart materials and further improve their application in the engineering areas such as smart sensors.

磁流变弹性体的力、电等性能在外加激励的存在下会发生迅速、可逆的连续变化，因而在振动控制、航空航天、防灾降噪、智能传感等领域都具有十分重要的应用前景。随着近年来对智能材料需求的日益增长，导电性磁流变弹性体以其独特的力-电、磁-电耦合性能在传感、探测等灵巧器件领域引起了越来越高的研究兴趣。针对目前导电性磁流变弹性体研究的不足之处，本申请在已有预研基础上，进行高灵敏导电性磁流变弹性体的制备和性能测试研究，优化材料的制备工艺，完善材料的实验测试方法，从理论和实验两方面研究该材料在外加激励如磁场、载荷作用下的力学和电学特性，分析其力学性能、阻抗性能与微观结构演化的关系，探索导电性磁流变弹性体在多场耦合下的导电机理，建立能够描述其电学特性和力学性能的参数模型，对材料的力-磁-电耦合性能进行数值模拟，为该材料的磁流变机理研究及在智能传感器领域的工程实际应用提供理论和实验依据。

磁流变弹性体因其力、电等性能在外加激励的迅速、可逆、连续变化而在振动控制、航空航天、防灾降噪、智能传感等领域具有十分重要的应用前景。导电性磁流变弹性体具有独特的磁-力-电耦合性能，兼有驱动和传感双重特性，因此可进一步提高已有智能结构器件的控制精度。本项目以新型导电性磁流变弹性体的研制与力学、电学性能优化为目标，在材料的制备工艺、性能检测、机理分析和器件研制等方面展开了系统研究。经过4年的努力，取得了一系列研究成果。首先，从微结构设计出发，通过优化制备条件，有效组合磁性粒子、导电填料和高分子聚合物基体，研制出电学性能对力、磁载荷都具有灵敏响应的导电性磁流变弹性体材料。利用流变测试、DIC、同步辐射、霍普金森压杆技术，建立了不同加载条件下导电性磁流变弹性体的磁-力-电耦合性能测试方法，研究了磁场作用下的变形机制，得到了不同应变率条件下导电性磁流变弹性体材料的力学特征。围绕微结构与磁-力-电耦合性能之间的相互关系，实验和计算相结合给出了磁性颗粒尺寸、磁性纳米结构、颗粒堆积形式与磁流变效应、导电性能的相互关系，研究了磁流变材料在外加载荷下的微观结构演化过程，分析了磁流变材料的磁-力-电耦合作用机制。在传统的偶极子模型基础上，结合隧道电阻理论，讨论了磁-电耦合效应与磁-弹耦合效应的相互影响，建立模型描述了导电性磁流变弹性体的磁-力-电耦合作用机制。基于上述结果，分析了导电磁流变弹性体的力-电-磁耦合传感特性，建立了相应的导电网络传感模型。最后，研制出一系列应变传感器，通过仿真和理论描述了磁-电、力-电耦合响应原理。开发出自供电磁/压力双模传感器，采用粒子动力学方法模拟了不同磁场下电极材料中CI颗粒的微观结构演变。设计出具有磁驱动特性的导电性磁流变复合薄膜，研制出可对器件运动进行原位传感的磁流变驱动器。项目执行期间，发表SCI/EI收录国际期刊论文33篇，申请中国专利2项，圆满完成研究目标。