张灿阳, 万 强, 郝志明

(1.北京理工大学 机电学院， 北京 100081； 2.中国工程物理研究院 总体工程研究所， 四川 绵阳 621900)

0 引 言

磁敏弹性体，简称磁弹体，是一种可受磁场调控的智能软材料，主要表现在它的刚度、阻尼等特性会随外界磁场强度的变化而迅速变化.通过一定的化学或物理手段将羰基铁粉、Fe2O3粉等磁敏颗粒分散并且固化在硅橡胶、聚乙烯醇等高分子聚合物中，可以制备得到磁弹体.由于磁敏颗粒使磁弹体具有可受磁场强度控制的特点，高分子基体使磁弹体具有高弹、大变形等特点，因此，磁弹体被广泛地应用于主动式振动控制与柔性压力传感等相关领域[1-3].目前，磁弹体的相关研究多针对其剪切力学性能随磁场的变化来反映其磁流变效应，例如，Jolly等[4]研究了外磁场强度对磁弹体静态剪切模量的影响，方生等[5]建立了一套动态力学测试系统，分析了影响磁弹体动态剪切力学性能的诸多因素.但目前关于磁弹体拉压力学性能的实验类文献较少[6].事实上，磁弹体在实际应用中作为承压件工作在压缩力学状态的情况较多，如柔性传感器、隔振器、阻尼器等[7-10].为了能够更好地促进磁弹体在工程实践中的应用，有必要对其压缩力学性能进行深入研究，例如，探究磁敏颗粒含量、外界磁场强度及内部磁敏颗粒分布等因素对磁弹体压缩力学性能产生的影响.对此，本研究通过实验手段分析了这些影响，拟为设计与应用含有磁弹体的器件提供相关数据.

1 试样与测试系统

1.1 磁弹体制备

1.1.1 材 料.

实验中， 磁弹体的基体相为硅橡胶(GMX-608T型， 中蓝晨光化工研究设计院有限公司)，磁敏颗粒填充相为羰基铁粉(CN型， BASF公司)；其他辅料包括， 二甲基硅油(致远化学试剂有限公司)，硅橡胶固化剂(60M型，中蓝晨光化工研究设计院有限公司).

1.1.2 制 备.

试样制备时，硅橡胶与二甲基硅油的质量比为3∶2，硅橡胶与固化剂的质量比为8∶1，按照上述比例称量硅橡胶、二甲基硅油、固化剂，并按照需要的磁敏颗粒含量称量羰基铁粉.称量后按照如下步骤混合各原料并等待硅橡胶固化.

1)将二甲基硅油倒入烧杯中，再将羰基铁粉置入二甲基硅油中，充分搅拌均匀，使羰基铁粉被二甲基硅油良好地包裹，以增强颗粒填充相在基体相中的流动性.

2)在步骤“1)”的混合物中加入硅橡胶、固化剂，快速搅拌均匀，把充分搅拌均匀的混合物放入真空干燥箱中，在真空度<1%、室温的环境中静置2 min，以除去混合物中的气泡，防止固化后得到的磁弹体内部含有大量孔洞.

3)将充分排除气泡后的混合物倒入模具中，确保混合物充满模具，闭合模具，排出多余的混合物，在室温的环境条件下保持24 h固化成型.

测试发现，通过上述步骤制备得到的磁弹体的内部磁敏颗粒是随机均匀分布的，简称各向同性磁弹体.图1(a)为在电子显微镜下观察各向同性磁弹体样品内部得到的微观结构图.

如果将混合物连同模具一起置于均匀磁场的正中，在磁场强度为600 mT及室温的环境条件下保持24 h固化成型.此时，在磁弹体固化成型的过程中，磁敏颗粒受到磁场力的作用，会形成链状或柱状的颗粒链，并随着固化的进程而固定在基体中.这种内部磁敏颗粒成链状分布的磁弹体简称各向异性磁弹体.图1(b)为在电子显微镜下观察各向异性磁弹体样品内部得到的微观结构图.

制备所得圆柱体形磁弹体样品的尺寸为直径12 mm、高度3 mm，如图1(c)所示.

图1 磁弹体内部微观结构图及样品图

1.2 测试系统

本实验的力磁耦合测试系统由材料试验机、磁场发生装置及加载杆等部件组成，具体如图2(a)所示.系统的加载杆与材料试验机相连，对磁弹体样品施加单向压缩载荷.

系统的磁场发生装置可为实验区域提供强度可调的均匀磁场，其结构如图2(b)所示，通过调整N极和S极之间的距离可以实现磁场强度连续可调.N极和S极分别为两个圆柱体形的钕铁硼永磁铁，直径130 mm，高度50 mm，中心开有直径为40 mm的通孔，便于直径为20 mm的铝制加载杆穿过.

图2 力磁耦合测试系统

为了分析本磁场发生装置能否为实验区域提供均匀磁场，图3(a)为利用有限元软件磁学模块模拟本研究使用的永磁铁在相距120 mm时，磁场发生装置中心处纵截面的磁感应强度分布云图，图3(b)为磁场发生装置中心处横截面的磁感应强度分布云图.由图3可以看出，试样所处的实验区域磁场强度分布均匀.

同时，为了进一步证明实验区域的磁场均匀性及可调性，本研究还分别测试了永磁铁间距为120 mm、100 mm、80 mm、60 mm、40 mm时，沿半径方向的磁感应强度(见图3(b))，每调整一次永磁铁间距，使用特斯拉计(HT20型，亨通磁电有限公司)从原点开始沿x轴每隔5 mm测量一次磁感应强度.测量结果如图3(c)所示.数据表明，随着永磁铁间距的逐步减小，磁感应强度逐步增大；且磁感应强度在距离x轴原点-10 mm至+10 mm的范围内基本保持不变，该范围大于试样的直径Φ12 mm，也覆盖了实验时使用的加载杆直径Φ20 mm的范围.因此，本研究采用的力磁耦合测试系统完全可以满足实验过程对磁场均匀且可调的要求.

图3 力磁耦合测试系统磁场分布图

2 实验与结果分析

2.1 羰基铁粉质量分数对磁弹体压缩模量的影响

在实验中，分别制备了羰基铁粉质量分数为20%、40%、60%、80%的4种各向同性磁弹体试样，并在250 mT、300 mT 2种外磁场强度工况下进行测试.共进行了8组实验，每组实验重复3次，并取3次实验的平均压缩模量作为该组实验结果.实验结果如图4所示.

图4 磁弹体压缩模量随羰基铁粉质量分数变化规律

从图4可以看出，磁弹体试样的压缩模量随着羰基铁粉质量分数的增加而增加.其中，磁弹体试样的压缩模量增加的幅度在羰基铁粉质量分数低的情况下表现得不明显，如图4中质量分数由20%增加到40%再增加到60%时；而磁弹体试样的压缩模量增加的幅度在羰基铁粉质量分数高的情况下表现得非常明显，如图4中质量分数由60%增加到80%时.同时，实验发现，在不同的外磁场强度工况下磁弹体均符合该规律.

2.2 磁场强度对磁弹体压缩模量的影响

在实验中，选取羰基铁粉质量分数为60%的各向同性磁弹体试样，分别在110 mT、150 mT、200 mT、250 mT、300 mT、350 mT及400 mT 7种外磁场强度工况下进行测试，每种磁场强度重复3次实验，取3次实验的平均压缩模量作为该组实验结果.同时，选取羰基铁粉质量分数为80%的各向同性磁弹体试样也进行上述实验.实验结果如图5所示.

从图5可以看出，磁弹体试样的压缩模量随着磁场强度的增加而增加，但这种增加并不均匀，在磁场强度较小的情况下，如磁场强度<200 mT，磁弹体试样的压缩模量随着磁场强度的增加而缓慢增加；当磁场强度增加至某个敏感区间时， 如200 mT<磁场强度<300 mT， 磁弹体试样的压缩模量随着磁场强度的增加而急剧增加；当磁场强度进一步增加时，如磁场强度>300 mT，由于羰基铁粉的磁化逐渐趋于饱和，磁弹体试样的压缩模量随着磁场强度的增加又变得缓慢增加.同时，实验发现，不同羰基铁粉质量分数的磁弹体均符合该规律.

图5 磁弹体压缩模量随磁场强度变化的规律

2.3 磁弹体内部微观结构对磁弹体压缩模量的影响

为了对比磁弹体内部磁敏颗粒分布形式(随机均匀分布或成链状分布)对磁弹体压缩模量的影响.选取羰基铁粉质量分数为60%的各向异性磁弹体试样分别在110 mT、150 mT、200 mT、250 mT、300 mT、350 mT及400 mT 7种外磁场强度工况下进行测试，每种磁场强度重复3次实验，取3次实验的平均压缩模量作为该组实验结果.同时，选取羰基铁粉质量分数为60%的各向同性磁弹体试样也进行上述实验.实验结果如图6所示.

图6 各向异性及各向同性磁弹体压缩模量对比图

从图6可以看出，各向异性与各向同性磁弹体试样的压缩模量都随着磁场强度的增加而增加，但增加幅度不同.各向异性磁弹体试样的压缩模量随磁场强度的增加而大幅增加；各向同性磁弹体试样的压缩模量随磁场强度的增加而缓慢增加.这是由于铁粉颗粒成链状分布后，在磁场环境下，颗粒与颗粒之间受到了更强的磁相互作用造成的.

3 结 论

本研究通过制备硅橡胶基磁敏弹性体并搭建力磁耦合测试系统，开展准静态压缩力学性能测试，分析了羰基铁粉质量分数、磁场强度以及磁弹体内部微观结构等因素对其单向压缩力学性能的影响，得出如下结论：在磁场强度一定的情况下，羰基铁粉质量分数越高则磁弹体的压缩模量越大，并且这种影响在大质量分数的情况下体现得尤为强烈；磁弹体的压缩模量随着磁场强度的增加而增加，其增加幅度与磁弹体内部磁敏颗粒的磁化程度紧密相关；磁弹体的内部微观结构能够影响其压缩力学性能，由于磁敏颗粒之间有更强的磁相互作用，各向异性磁弹体的压缩模量随磁场强度的增长幅度大于各向同性磁弹体的增长幅度.