磁场对磁流变弹性体表面特性的影响

任德均，李 锐，王明连，刘九山

(重庆邮电大学 汽车电子与嵌入式系统工程研究中心，重庆 400065)

物体在运动过程中，时常发出噪音，产生振动或造成磨损等一系列的负面影响，而大多类似的情形是由于材料的接触表面粗糙，不够光滑所致；在严重时，更是导致器件表面撕裂，危及整个器件寿命[1]。除此之外，材料表面粗糙度还会影响黏附、表面润湿甚至导电性等[2-4]。大多材料在制备完成后，就确定了其表面的相关参数。随着现代科技的进步，通过试剂，电解，激光，温度[5-7]等外部刺激来改变材料表面特性的新技术逐渐诞生，而磁场改变磁流变弹性体(magnetorheological elastomer， MRE)表面特性就是新技术中的一种[2]。

磁流变弹性体是一种新型的智能材料，主要是在橡胶(或硅树脂)里面填充微米级大小的可磁化颗粒(铁磁颗粒)制备而成[8]。在磁场作用下MRE内部的磁性颗粒会被磁化，进而产生相互作用力，外在表现为阻尼和刚度在磁场作用下发生变化[9]。MRE材料的弹性、剪切储能模量以及损耗因子等在磁场作用下的变化的特性也在建筑、桥梁、汽车隔振等领域得到了较好的应用[10-13]。研究者利用在磁场作用下快速应变设计了隔振缓冲装置[14-16]，并对MRE器件进行了多尺度建模等[17-19]。对于磁流变弹性体的外部特性，磁场还会改变MRE表面的摩擦性能，包括滑动摩擦[20]、滚动摩擦[21]以及耐磨性[22]等，从不同温度、压力、湿度、磁场强度等条件下进行大量的摩擦学实验，分别从磁流变弹性体的弹性模量、硬度、实际接触面积等在磁场下变化来对MRE摩擦学特性进行阐述，但并未系统地研究多组分材料在磁场下的表面特性变化。

MRE在摩擦学领域的研究和应用已经开启，MRE作为一种摩擦可控摩擦材料将被应用在刹车片、传送带，机械结构的橡胶末端等关键部位[20,23]。考虑到MRE材料需要服役在磁场环境中，充分了解MRE在磁场作用下的表面特性和摩擦学特性显得尤为重要。为此本工作制备了不同体积分数的磁流变弹性体，分别在磁场施加前后通过金相观察实验和白光干涉仪扫描实验对MRE表面特性进行探究，最后通过在磁场条件下的摩擦学特性进行验证。

1 实验

1.1 原材料

研究对象为各向同性的磁流变弹性体，基体选用双组分(A∶B=100∶5)硅橡胶(上海统帅有机硅材料有限公司)，填充颗粒采用羰基铁粉(5μm，北京兴荣源科技有限公司)，稀释剂采用二甲基硅油(美国道康宁公司)。

1.2 制备过程

为了提高羟基铁粉与橡胶的相容性，首先将羰基铁粉进行表面处理。处理流程：将硅烷偶联剂配成质量分数为0.5%～2%的稀溶液，溶剂为纯净水和醇，加入醋酸作水解催化剂，将 pH 值调至 3.5～5.5。再加入铁粉充分混合，最后把经过表面处理的铁粉烘干制备成粉末备用。制备样品流程：首先将橡胶组分A用二甲基硅油稀释，再与处理之后的铁粉充分混合，之后进行超声波分散处理，进一步加入橡胶组分B充分搅拌，最后为了避免样品中存在气泡影响实验结果，进行抽真空处理倒入模板固化。本工作制备了羰基铁粉分别为5%(体积分数，下同),10%，15%，20%，25%，30%的MRE样本。为了表面观察时更方便，切割部分样本放入尼龙模板备用。

1.3 实验方法

实验主要是为了观察施加磁场前后MRE表面的变化情况，本工作设计的表面观察实验包括金相显微镜观察实验和白光干涉仪扫描实验，金相显微镜主要是对MRE的二维表面进行观察，白光干涉仪则能够对MRE的三维形貌(包括粗糙度、波峰、波谷)更进一步的分析。最后通过摩擦实验进行检验，磁流变弹性体表面的形貌变化会直接影响到磁流变弹性体的摩擦性能。设计搭建了一个摩擦实验台架，在磁场施加前后对磁流变弹性体表面的摩擦性能进行对比测试。

1.3.1 实验台架

(1)金相显微镜与白光干涉仪实验装置原理一致，表面观察实验装置原理图如图1所示，主要包括磁场施加装置(磁场固定装置和永磁铁)，样品(固定在尼龙方块中的长方体MRE)，镜头(分别是金相显微镜和白光干涉仪镜头)，计算机(用于储存和处理图像)。

图1 表面观察实验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of experimental device for surface observation

(2)摩擦实验台架：根据实验需求，测试施加磁场前后样本的摩擦特性，设计并搭建了简易摩擦实验平台，实验平台主要由步进电机、直线导轨、拉压力传感器、磁场施加装置和基座等构成。摩擦实验台架如图2所示。实验过程中，恒定正压力由铜块提供，而步进电机则保证了摩擦测试过程中匀速直线运动，匀速运动速度为0.01mm/s，拉压传感器用于测试摩擦力。磁场的施加方式为永磁铁，位于磁流变弹性体样本下方，在样本表面的磁场强度可达约500mT。考虑到磁场可能对摩擦副造成吸引，所以选用不导磁的光滑铜块作为摩擦副，铜块的接触面大小为30mm×20mm。

图2 摩擦实验台架Fig.2 Friction test bench

1.3.2 实验过程

(1)首先在不施加磁场的条件下对MRE表面进行金相显微镜观察(AXIOVERT 200 MAT)和白光干涉仪观察(Contour GT-K)，两种观察实验由于放大倍数均较大，观察视野都较为局限，所以金相显微镜观察时在不同位置拍摄多组MRE二维表面，同理白光干涉仪也在MRE表面不同位置进行扫描，分别记录不同位置数据。然后在施加磁场条件下进行相同的观察实验，金相观察实验时，MRE表面磁场强度为250mT(采用特斯拉计在MRE表面测得，磁场方向垂直于MRE表面向上)。白光干涉仪扫描实验时，更换了磁场强度较大的永磁铁，MRE表面的磁场强度达500mT左右，磁场方向垂直于MRE表面向上。

(2)在滑动摩擦实验之前，确认实验平台所处的位置无振动源，设置步进电机的脉冲频率和脉冲数，用水平仪测量推杆和磁流变弹性体是否水平，并用酒精清洗磁流变弹性体表面，待磁流变弹性体表面酒精挥发后开始实验。步进电机推动通过以0.01mm/s的速度匀速运动180s左右，计算机自动记录滑动摩擦过程摩擦力大小。实验重复3次，结果取3次实验的平均值，由库仑定律得出摩擦因数。

2 结果与讨论

2.1 在磁场作用下的MRE金相显微镜图像分析

MRE金相观察的部分结果如图3(无磁场)、图4(有磁场250mT)所示。白色小点为羰基铁粉，颜色偏暗部分为橡胶。由图3，4可以看出，随着MRE中铁磁颗粒体积分数的增加，MRE样本表面的铁磁颗粒含量明显增加，图3，4中使用红圈标出了铁磁颗粒较多的位置，大部分铁磁颗粒较为分散，有少部分铁粉会有聚集的现象，这可能是由于MRE制备过程中铁粉搅拌不均匀，随机分布所致。当铁磁颗粒分布较为密集时，铁磁颗粒之间易形成磁偶极子对，磁偶极子之间的相互作用示意图如图5(a)所示，位置A，B，C，D分别代表铁磁颗粒的上半部分或下半部分，铁磁颗粒在磁场下被磁化，AC，BD之间存在相互排斥作用，BC，AD之间存在相互吸引作用，最终是吸引作用还是排斥作用取决于铁磁颗粒之间的距离和角度[24]。从概率的角度来说，MRE内的部分铁磁颗粒会表现出吸引，部分铁磁颗粒之间表现出排斥，排斥的铁磁颗粒向旁边的铁磁颗粒靠拢。当这一状况发生在MRE表面时，MRE表面铁磁颗粒受力示意图如图5(b)所示，物体表面不存在绝对平整，当铁磁颗粒嵌在微凸峰上时，相邻的铁磁颗粒会产生水平方向的吸引力，同时在磁场作用下产生向下的作用力，MRE中的铁磁颗粒会带动周围的橡胶发生微小移动，微凸峰之间相互靠拢、并向下挤压，外在表现出MRE表面有收缩趋势，对凹谷形成填补效应，如图5(b)中的表面轮廓由实线变为虚线，从而影响MRE表面的粗糙度。但在实际的金相观察实验结果中，观察到了MRE表面铁磁颗粒的分布情况，在磁场作用下发生的微小移动较难量化，并且在磁场施加前后原位观察较为困难，难以进行对比，在2.2节内容中将采用可量化的观察方式进行验证。

图3 无磁场下的MRE金相观察表面 (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%Fig.3 Metallographic surface of MRE without magnetic field (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%

2.2 在磁场作用下的MRE白光干涉仪图像分析

金相显微镜能够观察MRE表面的二维图像，则白光干涉仪能够对MRE表面的三维形貌变化进行观察，并且获得粗糙度、微凸峰等相关参数，但不能分辨出铁磁颗粒的位置，这一点与金相显微镜观察形成互补。MRE白光干涉仪扫描部分实验结果如图6(无磁场)、图7(有磁场500mT)所示。由MRE表面的三维形貌可以看出，看似光滑的表面的确存在许多凹凸不平之处。白光干涉仪扫描图像能够清晰地观察到MRE表面是由高低不平的微凸峰和凹谷构成，三维图像中红色部分为微凸峰，蓝色部分为凹谷，随着红色加深凸峰突出部分越高，随着蓝色加深凹谷部分凹陷越深。如图6所示，施加磁场之前的MRE表面色差较大，起伏较大，说明MRE表面较为粗糙。施加磁场之后的MRE三维图像如图7所示。由图7可以看出，各组分的MRE表面图像色差变得相对平缓，说明MRE表面在磁场作用下变得平缓。由MRE白光干涉仪表面扫描实验可以看出，施加磁场之后的MRE表面变得相对平缓，更为光滑，下面将用测试数据来进一步验证。

通过MRE三维扫描实验获取的数据对MRE表面在磁场作用下的变化进行量化分析。在白光干涉仪扫描实验中，由于每次扫描视野较小，为保证数据的真实可靠，对MRE不同位置的表面轮廓形貌进行了多次扫描，获得MRE表面粗糙度，微凸峰最高点和凹谷最低点等数据，取平均值得到如图8所示的轮廓数据和图9所示的粗糙度数据。

图6 无磁场下的MRE三维形貌 (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%Fig.6 Three dimensional morphologies of MRE without magnetic field (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%

如图8所示，MRE表面轮廓最高点Rp、最低点Rv在磁场作用下均有变化，说明在磁场作用下，MRE除了有刚度阻尼等材料属性变化之外，还有表面的微观变化。产生变化的原因是因为磁场在MRE下方，磁场把MRE中的铁磁颗粒磁化，铁磁颗粒之间产生相互作用，从而引导致了MRE表面发生变化。对于较为突出的微凸峰(如25%MRE的点)，表现出被削弱性更强。

图7 有磁场(500mT)下的MRE三维形貌 (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%Fig.7 Three dimensional morphologies of MRE with magnetic field 500mT (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%

图8 MRE表面轮廓Fig.8 Surface profile of MRE

对MRE分别在无磁场(0mT)和有磁场(500mT)两种状态下的表面粗糙度进行了记录，在磁场下MRE的表面粗糙度增大或减小现象均存在，随后对所得结果进行统计分析，结果如图9所示。统计结果显示：MRE表面粗糙度在磁场作用下均出现降低趋势，其中5%MRE粗糙度降低最多，约20%。粗糙度主要是反应物体表面的平整程度，施加磁场之后，MRE表面的粗糙度减小，表面变得平整，这主要是因为在磁场作用下，较高的粗糙峰在磁场吸引下会被拉低，表现出削低特性；加之，部分MRE表面铁磁颗粒在磁场作用下相互吸引，对凹谷形成填补，使得原本粗糙表面在一定程度上发生变化，最终导致MRE表面粗糙度降低，这也验证了金相观察实验中的猜想。

图9 MRE的表面粗糙度Fig.9 Surface roughness of MRE

2.3 摩擦实验结果验证表面变化

通过表面观察实验发现，施加磁场之后，磁流变弹性体表面发生了微小变化，导致磁流变弹性体表面粗糙度发生变化，下面利用滑动摩擦实验来验证表面在磁场下的变化。

摩擦实验结果如图10所示，图10(a)～(f)依次为5%MRE～30%MRE一次滑动摩擦实验过程，图中截取了主要的滑动摩擦过程。室温条件下，正压力为2.89N，分别在无磁场(0mT)和有磁场(500mT)分别进行滑动摩擦实验。从摩擦力随滑动过程的变化曲线中可以看出，随着滑动时间的增加，摩擦力逐渐增大，此阶段为静摩擦阶段。当摩擦力随滑动时间几乎保持不变时，此阶段为动摩擦阶段，此时的摩擦力和正压力用于计算摩擦因数(相同条件下摩擦实验重复3次)。由图10可以看出，在施加磁场(500mT)情况下，各组分百分比样本的摩擦力显著低于无磁场施加情况，说明磁场对MRE的摩擦特性产生了影响。

图10 摩擦力随时间变化曲线 (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%Fig.10 Curves of friction force with time (a)5%；(b)10%；(c)15%；(d)20%；(e)25%；(f)30%

通过库仑定律求得各组分MRE在有磁场(500mT)和无磁场(0mT)情况下的摩擦因数，统计结果如图11所示。实验结果显示：随着铁磁颗粒体积分数的增加，MRE摩擦因数呈现减小趋势，另外，各体积分数的MRE摩擦因数在磁场作用下也呈现减小趋势。随着铁磁颗粒体积分数的增大，摩擦因数呈现减小趋势，30%MRE的摩擦因数相比于5%MRE的摩擦因数约减小了38%。这主要是因为在相同条件下，较大铁磁颗粒体积分数的样本，其表面铁磁颗粒较多，铁磁颗粒摩擦因数低于橡胶摩擦因数。所以当铁磁颗粒体积分数较大时，MRE样本整体表现为摩擦因数较小，这也与金相表面观察实验所取得的结果相吻合。相同正压力下，MRE摩擦因数在磁场作用下减小，主要是因为MRE表面的微结构、粗糙度等在磁场下发生了变化。至于粗糙度与摩擦因数在磁场作用下的变化幅度不一致，呈现非线性变化，目前还尚不明确，以后还将对此进一步深入研究。

图11 MRE在有磁场(500mT)和无磁场(0mT)下的摩擦因数Fig.11 Friction coefficient of MRE with magnetic field (500mT) and without magnetic field (0mT)

前期的研究发现[9-13]，磁流变弹性体这种新型智能材料能够在磁场作用下快速改变刚度、阻尼等力学特性，后来这一特性被应用到隔震减振领域。本工作研究发现的磁流变弹性体在磁场作用下发生表面特性变化，也将为磁流变弹性体在表面工程，抗摩擦磨损方面的研究和应用提供新思路。

3 结论

(1)随着铁磁颗粒体积分数的增加，MRE表面的铁磁颗粒会增多，从而对MRE表面的摩擦磨损特性造成影响，这一点在MRE滑动摩擦实验中得到了验证。另外，在磁场作用下，MRE中的铁磁颗粒易形成磁偶极子对，并且产生相互作用力，导致MRE表面发生微观变化，从而改变MRE表面粗糙度。

(2)MRE表面轮廓在磁场作用下会沿着磁场反方向发生微小移动，表面轮廓有整体下降趋势，并且对较高的微凸点有削弱作用，形成填补效应，各组分的MRE表面粗糙度均出现降低。5%MRE在磁场(500mT)作用下粗糙度降低最多，约降低了20%。

(3)各体积分数的磁流变弹性体摩擦因数均在磁场下减小，磁场改变了MRE表面的微结构、表面粗糙度等。30%MRE的摩擦因数相比于5%MRE的摩擦因数约减小了38%，随着铁磁颗粒体积分数的增大，MRE表面铁磁颗粒含量是影响其摩擦特性的主要因素。