亚微磁流变脂在力-磁-热耦合时本构行为的跨尺度研究

The Submicro-Magnetorheological Grease (SM-MRG) is highly concerned by related industries and researchers because of its unique composition and rheological properties. The constitutive behavior of SM-MRG is effected by external intensity of magnetic field, the external loading, dynamic shear strain rate, temperature, physical and chemical properties, magnetic particles of submicronand uniform the shape, size, grading, content, the type of substrate, properties, composition, content and the types, characteristics of additive. However the relevant system research is not enough. This project will be through the multi-field coupling system experiment to further clarify the constitutive characteristics of SM-MRG. The mechanism and dynamic characteristics of micro structure of SM-MRG will be analyzed through submicron dynamic observation test device. The mesoscopic dynamics model will be established by the micro structural characteristics and the various main effect factors of SM-MRG. An analysis method will be obtained from mechanical properties of submicron magnetic particle dynamics with the macro-mesoscopic multi field coupling such as, force, magnetic, heat and so on, based on SM-MRG dielectric - themacro multiscale constitutive model. The research results will be important to scientific significance and application value for the optimization of design parameters of SM-MRG and the development of high performance.

亚微磁流变脂因其独特的组份及流变与力学特性而备受关注。亚微磁流变脂不仅会受磁场强度、受载、动态剪应变率、温度等因数的影响，而且均布其中的亚微米级磁性颗粒的物理与化学性质、形状、大小、级配、含量，脂类的种类、性能、成分、含量以及添加剂的种类、特性、含量等也将显著地影响到亚微磁流变脂的本构行为，然而有关的系统研究尚不充分。本项目将通过系统的研究力、磁、热等多场耦合作用下亚微磁流变脂本构行为,并通过亚微米动态观测测试装置分析亚微米级结构机理及动态特性，建立计及亚微结构特性和各主要影响因素的亚微磁流变脂的亚微观动力学模型。发展一种从亚微观到宏观的分析方法，获得位于力、磁、热等多场耦合作用下，基于亚微米级磁性颗粒动力学的流变与力学特性的的亚微-宏观跨尺度本构模型。该研究将揭示不同条件下亚微磁流变脂的流变与力学特性和亚微米级结构及其演化的深层次的物化背景，进而为设计参数和工程应用提供有力的科学依据。

亚微磁流变脂 (Submicro-Magnetorheological Grease， SM-MRG)一般由脂状基体，添加剂，亚微米级(50nm~1μm)的磁性颗粒等组成。因其独特的组份和流变特性而备受关注。亚微磁流变脂作为一类可设计和性能可控的智能材料，其发展要求相关科技工作者对亚微磁流变脂的性能必须有全面的了解和较好的定量关系的描述，本项目中考虑位于力、磁、热等多场耦合作用下，基于亚微米磁性颗粒动力学的亚微磁流变脂的力学特性的亚微-宏观跨尺度本构行为的研究。改装了一台具有较高精度的亚微磁流变脂性能的测试装置，该装置能进行不同磁感应强度(0~1.1T)、温度(室温~150˚C)和剪应变率(0~500s-1)下亚微磁流变脂力学和流变特性的测试。测试了给定基体与颗粒特性、颗粒尺寸分布、体积分数、添加剂时，不同的亚微磁流变脂在不同磁场强度、温度和剪应变率下的力学和流变特性，并且分析了各主要因素及其变化对亚微磁流变脂宏观力学和流变特性的影响。基于磁力学和亚微米级颗粒动力学原理，虑及磁性颗粒重力、磁场力、粘性阻力、亚微米级磁性颗粒相互作用力与力矩、添加剂等引起的化学力、磁性颗粒转动矩等，建立亚微磁流变脂亚微观动力学模型。运用磁力学和亚微观动力学原理、基于亚微米级颗粒结构及其相互作用，建立一套基于磁偶极子链状结构受力与变形分析和统计方法，且能考虑各主要影响因素对亚微磁流变脂宏观特性影响的亚微磁流变脂力学与流变学特性的亚微-宏观跨尺度本构模型。揭示了不同控制条件下亚微磁流变脂的响应特性和亚微结构及其演化的深层次的物理背景。为优化亚微磁流变脂的设计参数，高性能亚微磁流变脂及其器件的研发提供了重要的理论依据。