磁致伸缩颗粒高弹聚合物本构关系的研究

Magnetostrictive particle-filled elastomers are a new kind of magneto-sensitive elastomers. They are magnetostrictive particle dispersed in polymer matrixs whose mechanical properties are altered by the application of external magnetic fields. Since they can eliminate those shortcomings such as brittleness and large eddy-current losses in the tradition giant magnetostrictive materials under high-frequency magnetic field,they have been attracting more and more attention in research. To efficiently control the magnetostrictive elastomer devices, an accurate theoretical model of constitutive law, i.e. the relations between stress and strain, magnetic field and magnetization, is essential for predicting their responses in various operating conditions.Complicated mechanisms are responsibe for the magneto-mechanical coupling in magnetostrictive elastomers.Considering these mechanisms, a constitutive model of magnetostrictive particle-filled elastomers will be presented using the second law of thermodynamics plus the conservation laws method of continuum mechanics, which can capture the magnetostrictive of the inclusions and the magnetic force exerted on particles by the external magnetic field, as well as the magnetic interactions between particles. The model validation will be performed by magnetomechanical measurements for magnetostrictive elastomers.The predicted results by the model will be of significant benefit to both the theoretical researches and the application of magnetostrictive elastomers in smart structures and systems.

磁致伸缩颗粒高弹聚合物是磁敏高弹聚合物的一种，通过将磁致伸缩颗粒嵌入高弹聚合物中制备而得，拓宽了常规稀土超磁致伸缩材料的使用工作频率，改善其综合机械性能，已成为超磁致伸缩材料的一个新的发展方向。对于各种采用磁敏高弹聚合物的智能器件来说，定量预测力学与磁学的输入输出量之间的关系是优化器件性能的前提，所以研究磁敏高弹聚合物的本构关系是非常重要的。然而磁致伸缩颗粒高弹聚合物具有复杂的力-磁耦合机制，对于这些力-磁耦合机制的全面考虑是建立磁致伸缩颗粒高弹聚合物本构关系的关键。本项目拟针对磁致伸缩颗粒高弹聚合体的本构关系进行研究。从其力-磁耦合机制出发，研究掺杂颗粒的磁致伸缩效应；对磁致伸缩颗粒所受的外磁场施加的磁力以及颗粒之间的磁相互作用进行分析；在此基础上，基于连续介质力学以及热力学理论建立各向同性磁致伸缩颗粒高弹聚合物有限应变的非线性力-磁耦合的本构模型，并通过实验研究对模型进行验证和完善。

磁致伸缩颗粒高弹聚合物是由磁致伸缩颗粒嵌入高弹聚合物中制备而得，它拓宽了常规稀土超磁致伸缩材料的使用工作频率，改善其综合机械性能。对于各种采用磁敏高弹聚合物的智能器件来说，定量预测力学与磁学的输入输出量之间的关系是优化器件性能的前提，所以研究磁致伸缩高弹聚合物的本构关系是非常重要的。然而磁致伸缩颗粒高弹聚合物具有复杂的力-磁耦合机制，对于这些力-磁耦合机制的全面考虑是建立聚合物本构关系的关键。本项目首先从力-磁耦合机制出发，研究掺杂颗粒的磁致伸缩效应，依次建立了磁致伸缩颗粒的多轴非线性力-磁耦合的各向同性、磁滞、各向异性的本构关系；并对磁致伸缩颗粒所受的外磁场施加的磁力以及颗粒之间的磁相互作用进行分析，以此作为研究颗粒增强复合物有效磁弹性行为的基石，在此基础上，本项目考虑到宏观模型和微观/细观模型各自的优缺点（即宏观模型无法区分磁性颗粒和无磁性基体，而微观模型需要对微结构进行大量的简化假设），分别基于连续介质力学框架和复合物的微结构特征，从宏观角度和微观角度建立复合材料的本构模型，以此全面研究磁致伸缩颗粒高弹聚合物力-磁耦合的非线性本构行为，所建立的模型有：基于连续介质力学以及热力学理论的聚合物有限应变的非线性力-磁耦合宏观本构模型、可以描述多相磁致伸缩颗粒高弹聚合物的有效行为和内部场分布的微力学模型以及可以描述颗粒之间、颗粒与基体之间相互作用的细观力学模型。数值结果表明这些模型可以较为准确反映一些体现力-磁耦合特征的主要实验现象，具有工程适用性。在此基础上本项目将研究内容进行了一些延伸，讨论了磁致伸缩颗粒聚合物的磁粘弹性行为以及在聚合物中添加压电材料而制成的0-3型磁电复合材料的磁电效应。本项目的研究结果可以指导磁致伸缩颗粒高弹聚合物器件选取合适的操作区域以达到最优性能，并为智能系统的设计研发提供理论基础和依据。项目中对于复合材料的本构关系建模方法可以应用到其它复合材料（如压电复合材料、磁电复合材料）的建模中，对于多物理场耦合的处理方法可以为解决其它多场耦合问题提供有效的研究思路。