磁敏颗粒增强复合材料的力磁耦合性能表征及细观本构研究

磁敏颗粒增强复合材料是将磁性颗粒分散于高弹性聚合物基体中而形成的一类力磁耦合功能材料，其具有丰富的微细观结构特征以及磁场（或应力场）可控的力学（或磁学）行为。本项目结合磁敏颗粒增强复合多相材料的微细观特征，围绕其力磁耦合机理及其相关联的基础性问题展开研究，探讨颗粒-基体的微结构表征与相关的力学、物理学特性；将微磁学理论与多相非均匀介质的微弹性理论首次尝试结合用于磁敏颗粒增强复合材料力磁耦合性能表征与分析；并在充分考虑其微结构特征基础上开展细观本构关系与行为的研究。本项目研究将丰富和充实磁敏颗粒增强复合材料的相关力学理论框架与分析手段，对该类磁性智能复合材料工程实际应用的理论基础的奠定具有重要意义。

本项目结合磁敏颗粒增强复合多相材料的微细观特征，围绕其力磁耦合机理及其相关联的基础性问题开展了一系列深入研究，取得了一些特色研究成果与进展。主要包括：制备了磁性颗粒羰基铁粉-橡胶复合材料，形成了一套简便易行并且材料性能稳定的实验室制备方法；针对制备的磁敏颗粒增强复合材料开展了准静态、动态下的压痕测试实验，以及多场下的剪切宏观性能试验研究，揭示了其力磁耦合特性与行为；考虑磁性颗粒微观分布特征（如随机、点阵周期、链状等），基于细观力学和推广的MT方法，建立了磁敏颗粒增强复合材料的等效磁学、力学性能的各向异性预测模型与数值方法，较好地预测了其相关等效性能，特别是颗粒链取向的磁学和力学各向异性特征予以全面解释；基于颗粒夹杂复合材料的超弹性特征，建立了一剪切变形模式下的力-热-磁多场本构模型，较好地预测了磁致剪切模量以及力磁耦合行为特征。此外，我们在磁性颗粒羰基铁粉-橡胶复合材料理论和实验研究的机理与性能分析的基础上，成功搭建了一磁场驱动的微结构平台，可实现空气与液体环境中搬运不规则或者表面较软物体的功能。项目实施过程中共发表期刊学术论文8篇（其中SCI二区论文3篇）和1项授权发明专利，另有2篇学术论文投稿中和1项发明专利申请中；共培养研究生4位（3位获得硕士学位、1位获得博士学位），目前在读研究生2位等。