磁流变弹性体的制备及其压敏导电性能研究*

肖林京，范亚敏，朱绪力，滕桂荣，肖　楠，王传萍，公绪波，卫　洁

(1. 山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590；2. 山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)



磁流变弹性体的制备及其压敏导电性能研究*

肖林京1，范亚敏1，朱绪力1，滕桂荣2，肖楠1，王传萍1，公绪波1，卫洁1

(1. 山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590；2. 山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

摘要：针对磁流变弹性体的导电特性，设计了一种磁流变弹性体导电性测试元件，确立了其基本的制备工艺。基于磁流变弹性体导电性元件的可靠性，在相同条件下制备不同配比单一粒径磁流变弹性体样品，进一步设计整个导电性元件的压敏特性测试装置，并利用该装置对磁流变弹性体样品的电流与电阻率进行测试，结果表明，该元件可以实现磁流变弹性体压敏导电特性的稳定性测试，通过测试数据分析得到磁流变弹性体由于基体材料的粘弹性压应力随时间衰减，较小的颗粒体积比对混合液的黏度影响较小，对磁流变弹性体样品的电导影响更加敏感。

关键词：磁流变弹性体；导电性元件；测试装置；导电特性；粘弹性

0引言

磁流变弹性体是在磁流变液的基础上发展而来的一类新型的磁流变智能材料，将磁流变液的分散介质用可固化的高分子材料代替，即可制备出微米级铁磁性颗粒分散于液态高分子聚合物中的复合材料。在外加磁场的作用下铁磁性颗粒磁化形成有序结构并固化在非导电弹性基体中，使其不仅具有良好的力学性能，还具有独特的电学性能，被广泛应用于传感器和智能机构等领域[1]。

目前，国内外学者对于复合体系导电特性的研究方法主要为理论分析和实验测试。由于磁流变弹性体中基体一般都是绝缘体，因而其电阻主要由填充颗粒决定。Li等基于磁流变弹性体的磁致电学性能制备了一个力传感器[2]。Ruschau等人发现当导电高分子材料的外界激励发生变化，如应力或温度的变化，磁流变弹性体的电阻将会发生改变[3]。Bica等也对磁流变弹性体的电性能如电阻、电容、电流与磁场、硫化时间、外力等关系进行了较多研究[4-6]。Kchit等对磁致电阻与温度、压力的关系和磁致电阻机理进行了研究[7-8]。Bossis等人通过实验发现磁场对磁流变弹性体导电特性影响非常显著，当颗粒没有接触时，材料的电阻随着压力的增加呈指数递减，当颗粒接触以后，电阻与压力的关系变成乘方关系[9]。

由于磁流变弹性体内部颗粒结构的特殊性以及内部颗粒具有导电性和导磁性，使其具备对外界激励响应敏感的特性[10]。因此准确控制铁磁性颗粒在混合基体中的分散状态可以提高磁流变弹性体的导电性。目前已制备出各种磁流变弹性体，但还存在可控动态范围较小以及性能稳定性差等不足，限制了它们的应用。如何改进制备方法、制备出更高磁流变效应的磁流变弹性体是一个最重要的研究目标。文中通过对磁流变弹性体导电性能测试元件的制备，提高了磁流变弹性体样品与测试元件的结合度，改善了磁流变弹性体的电性能测试的稳定性，为高性能磁流变弹性体的制备及准确的导电性能测试提供了准确的参考。

1导电性元件制备

本文制备的磁流变弹性体导电机理与一般的导电高分子材料相似，导电的原理是填料在基体材料中形成导电通道，在制备初期，铁磁性颗粒浓度低，分散于基体中，在外加磁场作用下颗粒磁化由较高的能量状态向较低的能量状态运动，形成连接极板的链状结构，极化颗粒之间协同导电。根据磁流变弹性体的这一特性，设计出一种导电性元件，该元件采用模具与磁流变弹性体样品固定化成型的制备方法。不仅可以提高磁流变弹性体样品的填充量，使其与导电元件的结合度提高，还可以提高磁流变弹性体的导电性，进一步提高实验的可靠度。

1.1实验原料

磁流变弹性体主要由羰基铁粉、硅橡胶及固化剂组成。铁磁性颗粒的种类和尺寸和含量对磁流变弹性体的性能都有很大的影响[11]。颗粒材料要求具有较高的磁导率和高饱和磁化强度，以增强颗粒在较强磁场中的磁场力。同时颗粒材料还必须具有很低剩磁，以保证磁流变弹性体性能的稳定性；基体材料的性能要求具有较好的稳定性，抗老化、永久变形小。一般要求基体材料固化前的黏度不大于10Pa·s，固化后的弹性模量要比较小；添加剂的使用量对磁流变弹性体在制备过程中降低基体材料固化前的黏度和固化后的弹性模量起到重要的作用。

根据以上要求，本实验选用型号为MPS-MRF-35(江苏天一超细金属粉末有限公司)的羰基铁粉作为填充材料，基体材料为道康宁184硅橡胶，道康宁184硅橡胶为双组份高温硫化硅橡胶，包含聚合物原料和固化添加剂两种组份，其基本性能满足上述要求。按表1的配比制备单一粒径的磁流变弹性体。

表1不同磁流变弹性体中的铁粉含量(体积比v/v)

Table1ThevolumefractioncarbonylironinsideMREs

试样编号铁粉硅橡胶固化添加剂MRE-11%89%10%MRE-20.1%89.9%10%

1.2导电元件模具制备

本实验制备磁流变弹性体所设计的模具结构如图1(a)所示，主要分为带有圆形凸台的上下端盖、分体挡圈、紧固螺栓螺母等3部分，其主要材料为非导磁材料(纯铜)，可防止磁集聚现象。带有圆形凸台的上下端盖中间由挡圈起连接作用，上下凸台间距为1mm，磁流变弹性体样品直径为16mm，螺栓螺母紧固上下端盖，当硅橡胶固化完成后，将挡圈移去，同时端盖始终保持与样品相接触，能够最大限度的保证模具与样品的结合度，提高实验的可靠性和准确性，为后期实验测量做准备。移除挡圈后，固化后的磁流变弹性体样品和模具共同构成导电性元件如图1(b)所示。

图1　导电性元件模具结构

1.3磁流变弹性体制备

磁流变弹性体的制备主要包括3个阶段：混合、颗粒结构化和基体材料固化，其具体步骤为：

(1) 首先将称量好的硅橡胶和羰基铁粉混合机械搅拌10min。然后将混合物放入真空干燥箱，抽真空30min，除去气泡。

(2) 将称量好的固化剂加入到混合物中机械搅拌10min，放入真空干燥箱，抽真空30min，再次除气泡，抽真空的过程重复目的是最大程度的除去磁流变混合液搅拌时混入的空气。

(3) 除去气泡后将混合物注入到制备好的磁流变弹性体模具中，将模具固定后放入由两块耐高温永久强磁铁构成的静强磁场装置中，磁感应强度为115mT。

(4) 将磁场装置和模具都放入到真空干燥箱中，逐步加热到120 ℃。在温度达到120 ℃后60min，待硅橡胶固化完成后取出模具冷却。

(5) 待冷却后将挡圈移去，同时端盖始终保持与样品相接触的原始状态进行实验。

通过该模具制备出来的不同配比单一粒径的磁流变弹性体样品如图2所示。真空扫描隧道显微镜下观测到的磁流变弹性体纵切面的微观结构如图3所示，可以看到通过该方法制备出来的磁流变弹性体纵切面的铁磁性颗粒基本上沿磁场方向成柱状排列，内部结构致密，符合后期的实验研究和实验要求。

图2　固化后的磁流变弹性体样品

图3　磁流变弹性体纵切面的SEM图

Fig3MicrostructureofcarbonylironparticlesinsideanMREsample

2磁流变弹性体压敏导电性能测试

2.1测试系统和测试方法

基于磁流变弹性体自身的特点以及传导电流和隧道电流导电机理的研究分析[12]，建立了一套基于磁流变弹性体压敏导电特性的测试装置。实验中使用的电源型号为GPC-3060D稳压电源3组输出(两组可调，一组固定电压)，可调电压从0～32V可手动调整，显示精度为0.25V。电压测量仪表为安捷伦数字台式的万用表，其测量精度为0.001mV，测试装置如图4(a)所示,测试电路简图如图4(b)所示。

将该导电性元件模具的上下铜端盖上分别焊上铜导线，通过导线与直流稳压稳流电源和电阻串联成闭合回路，串联电阻起到分压的作用，防止测量时由于电源内阻过大对测量数据产生误差。具体测试过程为：将磁流变弹性体样品放在压力机的工作台上。压力机的工作台由步进电机控制上下移动，可以调节施加在样品上的压力。在保持压力的同时在磁流变弹性体样品两端的端盖上施加直流电压，通过计算得出流经磁流变弹性体样品的电流。

图4　磁流变弹性体压敏导电性能测试系统

Fig4PressuresensitivitymeasurementsystemoftheconductiveMREs

2.2实验结果处理与分析

调节直流稳压稳流电源输出电压U,串联电路中的电阻为R0,通过台式万用表测得施加在R0两端电压U1，根据测试结果计算流经电路中的电流为

(1)

导电元件中磁流变弹性体样品的电导为

(2)

导电元件中磁流变弹性体样品的电导率为

(3)

磁流变弹性体样品的电导G，电导可通过电流和电压的测量得到，根据关系式可进一步得到电阻率数值。A为磁流变弹性体样品测量电极的有效接触面，L为样品的高度，即上下端盖极板间距离。

对配备好的MRE-1和MRE-2磁流变弹性体样品在未施加压力的情况下进行实验测试，得到电流和电阻率随电压变化趋势，如图5所示。

图5　未施加压力电流和电阻率随电压变化趋势图

Fig5Currentandelectricalresistivitydependonvoltagevariationwithoutpressure

由图5可见，在初始电压很小的情况下，磁流变弹性体初始电阻率达到最大值，磁流变弹性体样品的电阻率随着外加电场的变化响应非常敏感，电阻率随电压的增加而减小，初始电压从0增加到15V过程中，电阻率下降速度最快，电压大于15V时，电阻率随着外加电压的增加下降速度趋于平稳。电流随电压的增加而增加，电压越大电流增加的越明显，电流与电压表现出明显的非线性关系。

本实验通过对MRE-1和MRE-2两种磁流变弹性体样品施加相同的压力108MPa后突然卸载，每隔30min对实验数据进行测试，并与未施加压力的情况下进行比较，得到磁流变弹性体受外加压力下电流和电阻率随电压变化的趋势图，如图6所示。由图6可知，当作用于MRE上的载荷发生变化时，MRE的电导也会随时间和外加电场变化而改变。对样品施加压力后突然卸载，在相同的时间内，电流和电阻率的变化趋势和未施加压力时的变化趋势是一致的。由于基体的粘弹性，压应力随时间衰减，磁流变弹性体样品电阻率不断增加，流经样品电流不断减小，颗粒体积分数0.1%的MRE样品的电阻率明显大于1%的MRE样品，流经样品的电流明显小于1%的MRE样品。较小的颗粒体积比对混合液的黏度影响较小，对MRE样品的电导影响更加敏感。

图6　压力卸载后电流和电阻率分别随电压变化趋势图

3结论

设计并制备了一种磁流变弹性体导电性能测试元件，提高了磁流变弹性体样品与测试元件的结合度，在外加静态匀强磁场的作用下提高了铁磁性颗粒原始分散状态的自动恢复性，同时防止磁集聚现象，改善了磁流变弹性体电性能测试的稳定性，对研究触觉传感器是一种新的探索，为高性能磁流变弹性体的制备及准确的导电性能测试提供了准确的参考。利用该导电性元件进一步设计了对磁流变弹性体的压敏导电特性的测试系统，通过实验数据处理和分析可获得磁流变弹性体导电特性的敏感度、线性关系受外加电场和基体材料的粘弹性影响非常显著。

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文章编号：1001-9731(2016)07-07216-04

基金项目：山东省自然科学基金资助项目(ZR2011EEM005)；青岛经济技术开发区重点科技发展计划资助项目(2013-1-67)

作者简介：肖林京(1966-)，男，山东沂水人，教授，博士生导师，主要从事机电传动控制、机械动力学等方面的教学研究工作。

中图分类号：TM206

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.042

Fabrication and pressure-sensitive electrical conductivity of magnetorheological elastomers

XIAO Linjing1, FAN Yamin1, ZHU Xuli1,TENG Guirong2, XIAO Nan1,WANG Chuanping1, GONG Xubo1, WEI Jie1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China;2. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China)

Abstract:A magnetorheological elastomer conductive element and its basic preparation process were designed based on its electric conductivity. Further we designed the test device for the entire electrical conductivity device based on reliability of the conductive element. Under the same conditions, the samples with different ratio of single particle diameter were prepared. Experimental results showed that the stability test of the electric conductivity can be achieved by using this device and the current and the resistivity of MREs are tested. Due to the viscoelasticity of the matrix material, the compressive stress decreases with time and the smaller particle size is less affected by the viscosity of the mixture. The conductance of MREs is affected more obviously by the viscoelasticity.

Key words:magnetorheological elastormers; conductive element; test device; electrical conductivity; viscoelasticity

收到初稿日期：2016-01-16 收到修改稿日期：2016-05-20 通讯作者：朱绪力，E-mail:zhuxuli@tsinghua.org.cn