电流变弹性体的制备及其力学性能测试

白 泉，程玉兰，王高升

（湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411101）

电流变弹性体的制备及其力学性能测试

白 泉，程玉兰，王高升

（湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411101）

采用硅油、淀粉和硅橡胶作为原材料，采用不同的比例和在不同的条件下，制备了两种类型电流变弹性体，并将其进行了力学性能实验测试.通过实验验证了电流变效应存在于电流变弹性体中，表明，它具有刚度可控的特征.电流变弹性体响应快速、可逆可控、稳定性好且不易沉降，将具有广泛的潜在工程应用前景.

电流变弹性体；力学性能；电流变效应

0 引 言

电流变材料是一种流变性能随着外部电场变化而变化的一种智能材料.这种材料在外加电场的作用下，它的弹塑性、表观粘度、屈服应力等都会发生显著地可逆变化；同时，电场便于控制和产生，因而电流变材料在工业部门中拥有广泛的应用前景.电流变材料中的一个新分支——电流变弹性体，主要由可以极化的固体粒子和高分子聚合物组成.固体粒子在高分子聚合物中被锁住，根植在基体中，克服了电流变液的易沉降和电流变效应不稳定现象.由于受到电场作用，被极化的固体粒子互相之间产生了相互作用力，使材料的粘弹性发生了变化，显示出电流变效应［1－3］.由于外加电场可以控制电流变弹性体的力学、光学、电学特性，因而近年来，它的制备和研究受到了多数研究者的极度关注［4－5］.

根据电流变弹性体内部组织结构的不同，可以将其分为两类：各向异性和各向同性.各向异性的电流变弹性体在固化过程中施加电场，能利用电流变效应，使颗粒在高分子聚合物基体中形成有序结构，即电流变弹性体中极化的粒子在两级间产生了粗线条状、纤维状的结构，这种结构固化后呈有序状地被保留在基体中；而各向同性的电流变弹性体材料的固化过程是在无电场的条件下进行，让它自然固化，因此颗粒是处于无规则排列状态，自由的分布在基体材料中.

本文制备的电流变弹性体采用是液态硅橡胶、淀粉和硅油，并将它们按照不同的配方比例混合，在不同场强作用下进行固化而得，此电流变弹性体制备成本低廉，过程简捷，在普通环境中也能生产和使用.为了对比两种类型的电流变弹性体的性能特点，我们将其进行了力学性能实验测试和微观组织观察.通过测试分析，寻找优化电流变弹性体的配方和制备方法，为将来电流变弹性体在振动控制、航空航天、汽车和建筑方面等领域的应用，能提供综合性能良好的电流变弹性体材料.

1 基体材料和分散相材料的选择

一般高分子聚合物，是制备电流变弹性体的首选材料，不同聚合物的热力学性质在固化过程中会产生直接的影响.固化时，流变颗粒在基体中自由移动，会生成能量消耗最低的稳定状态，因此对高分子聚合物的要求就是具有低粘性［6］；使用时，还需要电流变弹性体具有较好的耐磨性；同时高分子聚合物来代替电流变液中油类的液态基体作为基体材料，能避免易沉降、稳定性差、颗粒易磨损等问题.综合考虑，选择人造橡胶作为基体材料，因为它还具有结构可控和性能稳定等突出特点.

与电流变液相似，分散相（可极化的粒子）会对产生电流变效应之后的稳定性好坏起着关键作用.目前来说，具有较好的电流变性能的分散颗粒材料，应该是多层包覆材料、无机材料以及有机材料等［7－10］，这些材料都是具有较高的介电常数和较低的电导率的固体颗粒.淀粉，是普通生物高聚物中最丰富的碳水化合物，属于环境友好材料.因为淀粉本身密度小、在基体中不容易聚集且它的内部有少部分的水分存在（能够促进极化），最重要的是在常温下分散相的性能相对稳定.因此，在本文的制备中，选择淀粉作为分散相材料.

2 制备电流变弹性体

根据有无电场情况，分别进行制备电流变弹性体，得到两种类型［11］：在有电场情况下制备的电流变弹性体：主要是由极性颗粒和弹性体基体组成，它们的混合物在形成链状及其固化的过程中，需要有电场的参与；在无电场情况下制备的电流变弹性体：由于没有电场的参与，混合物在固化过程中，颗粒的朝向就会显示是无规则排列的，并不会沿电场方向聚集形成链状结构.

文中制备了室温下固化人造硅橡胶为基体的电流变弹性体.基体材料选择的是由江苏溧阳飞达硅橡胶粘合剂厂提供的型号为704硅橡胶，它的特点是在常温下固化快速；分散相材料的选择是市售的，由长沙市食品淀粉厂提供的普通不溶性玉米淀粉；辅助材料选择的是硅油，目的是用来稀释硅橡胶，可以在搅拌的过程中增加它的流动性.

将上述材料进行不同的配方比例，我们可以得到几种电流变弹性体样品.具体如下：

①量取2杯10%的淀粉、45%液态硅橡胶和45%的硅油作为1＃配方；

②量取2杯20%的淀粉、50%液态硅橡胶和30%的硅油作为2＃配方.

本实验制备的电流变弹性体过程：通过将淀粉和液态硅橡胶混合均匀，静置一段时间，目的是便于颗粒移动到适当的位置，延长其运动时间；再将硅油添加到混合物当中，不断搅拌，目的是降低颗粒的运动阻力，提高运动速度；我们最后将不同配方的混合物，倒入到模具（内径为φ42的聚四氟乙烯套筒）中后，其中一部分静置于平行电场中，图1即为施加电场示意图，通过调节直流稳压电源大小，来得到不同电场下固化的有场电流变弹性体.电场的产生是由直流稳压电源和高压放大器与两块带有导线的铝合金板以及电阻形成一个电流回路；另一部分放在没有电场的对制备电流变弹性体的力学特性进行实验测试和对比分析，来优化电流变弹性体的配方和制备方法，为将来研制电流变弹性体减振和隔振装置，能提供综合性能良好的电流变弹性体材料.

本文中制备的电流变弹性体主要材料是由硅橡胶、淀粉和硅油，将三者按照规定的比例配方混合成胶状电流变弹性体［11］.基体材料选择的是704硅橡胶（江苏溧阳飞达硅橡胶粘合剂厂，特点是在常温下可以快速固化）；分散材料选择的是不溶性玉米淀粉作为固体粒子（长沙市食品淀粉厂，市售，精制淀粉）；再添加一定比例的硅油，目的是用来稀释硅橡胶，增加电流变弹性体在搅拌过程中的流动性）.

将硅橡胶、淀粉和硅油根据不同比例，可配备几种配方的电流变弹性体.具体制备过程如下：第一种配方，命名为1＃配方：用量杯量取10%的淀粉、45%的硅油和45%液态硅橡胶，准备2份，第二种配方，命名为2＃配方：20%的淀粉、30%的硅油和50%液态硅橡胶，准备2份；接着用筷子等便于搅动的物体，分别将1＃配方中10%的淀粉和45%的硅油与2＃配方中20%的淀粉和30%的硅油搅拌均匀，静置30min；再分别将上述的两种混合物分别加入到45%液态硅橡胶内和50%液态硅橡胶内，不断搅拌直至淀粉颗粒、硅油和硅橡胶三者充分混合均匀，这样得到1＃配方和2＃配方的胶状电流变弹性体.

本实验制备的电流变弹性体过程：通过将淀粉和液态硅橡胶混合均匀，静置一段时间，目的是便于颗粒移动到适当的位置，延长其运动时间；再将硅油添加到混合物当中，不断搅拌，目的是降低颗粒的运动阻力，提高运动速度；我们最后将不同配方的混合物，倒入到模具（内径为φ42的聚四氟乙烯套筒）中后，其中一部分静置于平行电场中，图1即为施加电场示意图，通过调节直流稳压电源大小，来得到不同电场下固化的有场电流变弹性体.电场的产生是由直流稳压电源和高压放大器与两块带有导线的铝合金板以及电阻形成一个电流回路；另一部分放在没有电场的地方，让它自然固化.两者都是在常温下固化，经过24h以后，两种不同类型的电流变弹性体制备完成.图2即是整个电流变弹性体的制作全过程.

图1 电流变弹性体施加电场示意图

图2 电流变弹性体具体制作过程图

我们分别拿两种类型的电流变弹性体样品进行微观结构观察，结果如图3所示，图3（a）是没有电场的情况下制备的电流变弹性体微观结构图，它显示跟预期的一样，由于没有电场的作用，分散相粒子在基体内的朝向是杂乱无章的；图3（b）是在有电场情况下制备的电流变弹性体微观结构图，观察到分散相粒子正在逐渐形成有序的结构.

图3 两种类型电流变弹性体的微观结构图

3 实验测试

作为智能材料的一种，强度值，硬度值、拉伸量和场控动柔量等都可以作为衡量电流变弹性体的性能指标，其中场控动柔量是能体现电场对电流变弹性体材料特性的主要参数.弹性体中的力学性能是本次实验测试的性能指标［12－13］.

本文设计的测试电流变弹性体力学实验平台，如图4所示.所使用的仪器是电子万能试验机，型号为CMT5305，由深圳市新三思材料检测有限公司出产.测试时，分别将1＃配方的试样块1（有场制备弹性体）和试样块2（无场制备弹性体）及2＃配方的试样块3（有场制备弹性体）和试样块4（无场制备弹性体）放在微机控制的电子万能试验机上进行压缩试验.

图4 力学性能实验平台

图5为电流变弹性体的承受载荷与位移关系变化的曲线图，通过比较图5中的4个图，可以发现：试样块1和3（有场制备弹性体）的位移变化量与有无添加电场有关，如果在承受相同的载荷情况下，有电场时的位移变化量要小于没有施加电场的位移变化量；而无电场制备得到的试样块2和4，在相同的条件下，位移变化量没有明显的变化.这个结果表明，电流变效应确实存在于电流变弹性体中，且具有刚度可控的特性.通过将图5（a）与图5（c）、图5（b）与图5（d）进行对比分析，可以得到在承载能力方面，不管是无场制备的电流变弹性体还是有场制备的电流变弹性体在有无电场情况下，都是1＃配方的试样块大于2＃配方的试样块，表明本文所制备的1＃配方电流变弹性体要优于2＃配方.但也注意到，由于在制备过程中，电流变弹性体出现了固化不均匀的现象，导致试样块1和3（有场制备弹性体）的承载能力低于试样块2和4（无场制备弹性体）的承载能力.

图5 电流变弹性体力－位移关系曲线

4 结 论

本文制备的两种类型电流变弹性体经过微观结构和力学性能实验测试的对比分析，发现有场制备的电流变弹性体内部结构会形成链状结构，无场制备的电流变弹性体的内部结构是无序的.由于电流变效应存在于电流变弹性体中，显示出有场制备的电流变弹性体在有电场时刚度大些，无电场时，刚度相对小些.表明，电流变弹性体具有刚度可控的特性.

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Design of Force Loading Monitor and Control System Based on LabVIEW

BAI Quan，CHENG Yu－lan， WANG Gao－sheng
（College of Mechanical Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China）

Two different kinds of ER elastomers are prepared by using siliconoil，starch and silicone rubber with different proportions and under different conditions.and their mechanical properties are measured.The electrorheological effect of ER elastomer is verified experimentally and the results show that the ER elastomers have properties of controllable stiffness.The ER elastomers are superior to ER fluids in sedimentation，coagulation，and stability of the particles.Furthermore，the ER elastomers are more flexible，light，and easily prepared.The ER elastomers have more potential application in engineering filed.

ER elastomer；mechanical property；electrorheological effect

TB535

A

1671－119X（2014）02－0030－04

2014－01－12

湖南省教育厅科研资助项目（13C177），湖南工程学院校级青年科研课题（xj1104）

白 泉（1981－），女，硕士，助教，研究方向：智能材料与结构、振动力学.