力磁耦合下磁流变胶本构响应的多尺度分析及跨尺度关联

Magnetorheological gels, with good stability, are new magnetorheological materials, and have broad prospect in engineering application. Up to now, the research on their constitutive relations is insufficient. Considering the fact that different types of microstructures are formed when magnetorheological gels are subject to multi-field loadings, a micro-macro approach will be developed in this project. By means of experimental observation combined numerical simulation, the properties of microstructures, including their correlations with material and environmental parameters, will be investigated. The representative elementary volume should be established and the corresponding constitutive model will be proposed according to thermodynamic principle. The interaction between particles and matrix, non-linear magnetization of particles and temperature-dependent property of matrix should be taken into account. Based on the model, the behaviors of magnetorheological gels subjected to magneto-mechanical loadings can be described, and the factors influencing material properties could be investigated. This work is important for comprehending the micromechanism and optimizing the material design of magnetorheological gels.

磁流变胶是一种新型磁流变材料，具有不易沉降、稳定性好等优点，应用前景广阔。然而，目前对它的本构研究尚不充分。考虑到磁流变胶在力磁耦合场作用下具有丰富的微结构特征，因此本项目将采用微宏观多尺度分析的方法，通过实验、模拟和理论相结合的手段，研究不同条件下各组分特性及微结构的形态并加以表征，分析各典型微结构的稳定性，选取代表性胞元，通过能量原理建立组分特征-微观结构-宏观性能的跨尺度关联的磁流变胶本构模型，描述磁流变胶在磁场和应力场下的行为。所建立的本构关系能考虑铁磁颗粒的非线性磁化、基体的软物质性能以及两相间的相互作用，体现微结构特征与两相材料内禀性能、服役环境宏观参量之间的联结，可分析各主要因素对材料性能的影响及其作用机理，探讨高性能磁流变胶所具有的微观形态。这对磁流变胶的材料设计和工程应用具有重要的参考价值和科学意义。

以实现功能化和集成化为目标的智能材料成为新材料技术研究的重要方向。作为智能材料之一的磁流变材料，以其奇妙的特性而备受瞩目。磁流变胶可以有效克服易沉降等缺点，有着巨大应用前景。要实现工程材料领域对高性能磁流变胶的需求就必须对其性能及力学机理有全面的理解并能正确描述其本构关系。在本课题的研究中，我们从颗粒/基体、颗粒系统和材料整体三个层次进行跨尺度研究，对颗粒的磁化特性、基体的黏性等特征进行分析，研究它们之间的相互作用，考虑了基体的粘弹性并采用合适的方程描述了颗粒在基体中的运动阻力，构建了动力学方程，采用高效算法建立了的磁流变胶的数值模拟系统，模拟了不同条件下的微观结构。基于微观结构，构建了单链、考虑链间相互作用、考虑大小颗粒的级配以及高浓度下的颗粒空间构型等多种情况下的本构模型，描述了不同条件下的剪切应力等本构行为并分析了各种因素对磁流变胶特性的影响机理，理论预测和实验结果吻合良好。通过该项目的研究，探索了探讨高性能磁流变胶所具有的微观形态及其机理，这对磁流变胶的材料优化设计和工程应用具有重要的参考价值和科学意义。