橡胶基软磁复合薄膜压磁性能机理模型的适应性研究

蒋达国，朱正吼



橡胶基软磁复合薄膜压磁性能机理模型的适应性研究

*蒋达国1，朱正吼2

（1.井冈山大学数理学院，江西，吉安 343009；2.南昌大学材料科学与工程学院，江西，南昌 330031 ）

利用模压成型法制备了丁基橡胶压磁复合薄膜，并研究了粉体粒径和薄膜厚度对其压磁性能的影响规律。结果表明：复合薄膜的阻抗随着粉体粒径和薄膜厚度的减小而增大；阻抗变化幅度随着粉体粒径的减小呈现出先增大后减小的趋势，随着薄膜厚度的减小而减小。用复合薄膜的压磁性能的等效电路模型对实验结果进行了理论分析，所得结论与实验结果相符合。

复合薄膜；压磁性能；粉体粒径；薄膜厚度

0 引言

铁磁性材料受到机械力的作用下发生应变，使其内部磁化状态发生变化，从而导致阻抗发生显著变化的现象称压磁效应。利用压磁效应可以开发出各种压磁式传感器，包括压磁式非接触扭矩传感器、压磁式非晶带加速度传感器和压磁式压力传感器等[1-2]。橡胶粘结磁性材料，是将经偶联处理的磁粉和作为载体的粘结剂及少量的添加剂，按一定比例配合，经轧制、压延、注射或挤出加工而成的一种复合式功能材料。本文将磁性粉体弥散镶嵌在高电阻非磁性材料的丁基橡胶中，制备了两相组织的复合薄膜，这种复合薄膜电阻率高，在低频时具有优良的压磁性能。

文献[3-7]用趋肤效应对橡胶基复合薄膜的压磁性能进行了定性的分析，并未构建复合薄膜压磁性能的机理模型，并且，复合薄膜的磁导率低，电阻率大，其趋肤深度比复合薄膜的厚度要大，因此，用趋肤效应分析复合薄膜的压磁性能，有其局限性。

文献[8-10]构建了复合薄膜压磁性能的等效电路模型，并用此模型对复合薄膜的电阻、电抗、阻抗等随频率和压应力的关系以及磁性粉体含量对复合薄膜压磁性能的影响规律进行了理论推导，所得结论与实验结果完全相符。本文用此等效电路模型进一步分析了粉体粒径和薄膜厚度对复合薄膜压磁性能的影响规律，所得结论与实验结果完全符合，进一步验证了该等效电路模型的普适性。文献[5-6]研究了磁性粉体粒径和薄膜厚度对硅橡胶基复合薄膜压磁性能的影响规律，其实验结论与本文相同，因此，电阻和电容串联等效电路模型可以比较全面地解释复合薄膜压磁性能的规律。

1 实验原理与方法

将磁性粉体放入钛酸酯（NDZ－105）的THF溶液中进行表面处理；然后将粉体与丁基橡胶按3:1的质量比混合均匀，加入硫磺、石蜡等添加剂充分混炼；将混炼好的复合材料放在两张铜箔之间，加压成型；最后在160 ℃下固化1 h，得到复合薄膜。

用4284A阻抗仪测试复合薄膜的阻抗，电流幅值为10 mA；用电子数显千分尺测薄膜的厚度。

压磁效应测试方法如图1所示，处于两片铜箔之间的薄膜有效面积为6 mm×5 mm，在薄膜中心区施加点压力，压头直径为5 mm[11]。两片铜箔端部与4284型阻抗分析仪连接，压应力的方向和电流的方向均沿薄膜的厚度方向。

图1 压磁性能的测试原理图

2 实验结果与分析

2.1 等效电路模型

复合薄膜压磁性能的等效电路模型为电阻与电容串联模型[7-9]，其阻抗：

式中：、、、、、分别为薄膜的电阻、电抗、电阻率、电容、厚度和面积；为通过薄膜的正弦交流电频率。

2.2 粉体粒径对压磁性能的影响

图2是薄膜厚度为210 μm，测试频率为5 kHz时，粉体粒径对复合薄膜压磁性能的影响曲线。从图中可知，当压应力不变时，三种薄膜的阻抗都随着粉体粒径的减小而增大，阻抗变化幅度都随着粉体粒径的减小呈现出先增大后减小的趋势。

因为，粉体粒径越小，粉体在橡胶中的分散越好，复合薄膜的绝缘性能越好，其电阻率和电阻越大，同时，粉体在橡胶中的分散越好，复合薄膜的介电常数和电容越大，所以，根据式（2），复合薄膜的阻抗随着粉体粒径的减小而增大。

2.3 薄膜厚度对压磁性能的影响

图3是粉体粒径为18 μm，测试频率为10 kHz时，薄膜厚度对压磁性能的影响曲线。从图中可知，当压应力不变时，三种复合薄膜的阻抗都随着薄膜厚度的减小而增大，阻抗变化幅度都随着薄膜厚度的减小而减小。

根据电阻定律，电阻与厚度成正比，根据平行板电容器的电容公式，电容与厚度成反比，由于复合薄膜的阻抗主要由电容决定，所以，根据式（2），复合薄膜的阻抗随着薄膜厚度的减小而增大。

3 结　论

以磁性粉体为磁性增强材料，以丁基橡胶为基体，利用模压成型法制备的复合薄膜，其阻抗随着粉体粒径和薄膜厚度的减小而增大；阻抗变化幅度随着粉体粒径的减小呈现出先增大后减小的趋势，随着薄膜厚度的减小而减小。用复合薄膜压磁性能的电阻和电容串联等效电路模型对实验结果进行了理论分析，所得结论与实验结果完全相符，验证了此模型在柔性软磁复合薄膜压磁性能的普适性。

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[4] 李塘华，朱正吼，马广斌.一种新型的压磁薄膜[J].功能材料，2007,38(5):737-739.

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[11] 蒋达国，朱正吼，马广斌.FeSiB非晶薄带的压磁效应研究[J].功能材料，2007,38(6):911-913.

Suitability of mechanism model of piezomagnetic effect of rubber-based soft magnetic composite film

*JIANG Da-guo, ZHU Zheng-hou

(1. School of Mathematics and Physics, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Nanchang University, Nanchang, Jiangxi 330031, China)

Composite film was prepared from the Fe78Si9B13amorphous powders as reinforced material and butyl rubber as matrix by means of molding to shape, and influences of particle size and film thickness on the piezomagnetic property is also studied. The results showed that the impedance of composite film increases with the smaller particle size and the thinner film thickness. The results also showed that the rangeability of impedance increases first and then decreases with decreasing particle size and decreases with the thinner film thickness. The experimental results are theoretically analyzed with equivalent circuit model of piezomagnetic property of composite film and the conclusions are consistent with the experimental results.

composite film; piezomagnetic property; particle size; film thickness

1674-8085(2013)05-0055-05

O484.4;TB333

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.05.013

2013-06-05；

2013-08-11

国家自然科学基金项目(60961001)

*蒋达国(1968-），男，江西吉安人，教授，硕士，主要从事复合材料研究(E-mail:jgsxy_jdg@shou.com);

朱正吼(1969-），男，安徽枞阳人，教授，博士，主要从事材料学研究(E-mail:z00708@sina.com).