磁性弹性体的应用探究

解楠 吴泽伟 吴公勇

摘要：磁性弹性体作为一种新型的功能材料和智能材料，具有许多优异的性能。近年来，磁性弹性体的研究引起了学术界和工业界的广泛关注。由于磁性弹性体是无机磁性组分与有机聚合物基体结合形成的复合材料，无机与有机材料的协同作用使磁性弹性体具有纯无机或有机材料不能实现的新特性。

关键词：磁性弹性体;原位法;智能材料;磁致模量

1、磁性弹性体的概念

磁弹性体是最新形式的磁流变材料。用聚合物代替磁流变液的液体基质，一方面解决了磁流变液易沉降、稳定性差、易磨损等缺点;另一方面，可磁化颗粒在外加磁场作用下被磁化，产生相互作用力。当材料变形时，这些磁力的内部形成的反向力矩会使磁性弹性体的模量、刚度和阻尼发生很大的变化，从而继承了其磁流变效应的优点。它具有响应快（MS量级）、可逆性好（去除磁场后，恢复初始状态）以及材料的力学、磁学和电学性能在外磁场中连续可控等优点。此外，磁性弹性体的结构设计简单，性能稳定，制备成本低，在航天、国防、交通等领域应用前景广阔。

磁性弹性体按其结构可分为各向同性和各向异性磁性弹性体。在材料固化过程中，施加磁场或不施加磁场均可得到两种内部结构不同的磁性弹性体。当不施加磁场时，制备了各向同性磁性弹性体，磁性颗粒在基体中随机分布。当外加磁场一定时，制备出各向异性磁性弹性体。此时，基体中的磁性颗粒将沿磁场方向排列，形成链状或柱状结构。

2、磁性弹性体的制备

目前，关于磁性弹性体制备方法报道的很多，主要分为三类：

（1）机械共混法：机械共混是最常用、最成熟的工艺，常用于橡胶基体。该方法已通过工业设备（如密炼机和开炼机）实现，包括原料的内部混合、混合和固化。首先将橡胶基体混合，然后将基体、磁粉和各种添加剂在球磨机上均匀混合，最后将混合料片放入模具中，在一定的温度和压力下凝固。但是，这种方法得到的材料中的磁性颗粒容易在基体中聚集，从而导致材料综合性能的下降。

（2）原位法：原位法包括原位聚合法和原位热分解法。原位聚合是将磁性粒子分散在聚合物基体的单体中，然后在磁性粒子表面聚合。2013年，伊朗的Mohammadi等人通过原位聚合在磁场下制备了聚氨酯基磁性弹性体。该方法改善了磁性粒子在基体中的分散性，从而提高了材料的综合性能。原位分解法是将磁性粒子的前驱体分散在液体基质中，利用辅助加热等方法将前驱体分解，并将得到的磁性粒子与基体进行复合。Bica等人采用原位分解法将羰基铁与液态硅橡胶混合，微波加热分解羰基铁产生铁原子，与硅橡胶结合形成稳定的复合材料，使磁性弹性体具有良好的力学性能。该方法可以使磁性颗粒与基体的结合更加稳定，提高材料的力学性能，且固化前溫度更高，有利于磁性颗粒在磁场中的排列。然而，这种方法不容易控制磁性颗粒的形貌和粒径。

（3）其它方法：除了机械共混法和原位法外，还有一些其他报道的方法，如液体共混法和真空辅助树脂传递模塑法。液体共混法是将液体基质或基质溶解于特定的有机溶剂中，与磁性颗粒混合，然后加入固化剂进行固化。但这种方法存在的问题是难以使有机溶剂完全挥发，使部分有机溶剂残留在混合物中，影响材料的力学性能和磁性。此外，这种有机溶剂通常是高度有毒的，这对人体和周围环境是极其有害的。真空辅助树脂传递模塑通常用于制备质量要求严格、批量小、尺寸大的材料。伍兹采用真空辅助树脂传递模塑法制备硅橡胶基磁性弹性体。但这种方法不易渗透到磁性颗粒中，不能制备出高填充量的磁性弹性体。

3、磁性弹性体的应用

磁性弹性体是一种新型的功能材料和智能材料，在许多领域有着广泛的应用。目前，其应用主要集中在磁弹性模量的性质上。利用外加磁场不断改变材料的力学性能，实现器件的半主动控制。在可调谐减振器、隔振器、传感器和噪声控制系统等领域都有报道。

1997年，福特公司成功研制出一种磁性弹性体衬套，并申请了专利。Ginder等人设计了具有变刚度控制的轴向和径向磁性弹性体。2004年Farshad等人在噪声控制仪器中使用了磁性弹性体材料。2007年，美国内华达大学（university of Nevada）的研究人员设计了一种新的隔振器，它同时使用了磁性弹性体和磁流变液。2008年，瑞典的Blom等人也设计了一种基于磁性弹性体的隔振器，可以显著提高隔振器的能量控制效果。同年，Hu等人提出了一种同时含有磁性弹性体和磁流变液的复合阻尼器，用于直升机的减震。磁性弹性体也用于许多军事应用。AMAD公司为海军潜艇水下武器发射系统研制了一种磁性弹性体共减振器。减振器的刚度在1ms内可提高60%左右，对外部冲击载荷具有良好的冲击隔离效果，可作为具有安全保险功能的被动保护装置。

4、磁性弹性体的发展现状及存在问题

4.1、发展现状

磁性弹性体的力学性能与磁性颗粒的种类和含量、基体材料体系、磁性颗粒表面活性剂及制备工艺有关。目前，磁性弹性体性能优化方法的研究主要集中在磁性粒子的含量、粒径、增塑剂等添加剂以及结构工艺等方面。，但对磁性粒子的添加方法和制备工艺的改进还没有系统的研究。

4.2、存在问题

磁性弹性体以其优异的性能在许多领域得到了广泛的应用。然而，磁性功能材料一直存在一些矛盾的问题，如材料性能的不稳定性、同时提高力学性能和磁性的难度等。与材料的工程应用有很大的差距，极大地限制了材料的应用。其原因在于磁性粒子在弹性体中分散性差，磁性粒子在基体中团聚严重。解决上述瓶颈问题是磁性弹性体工程应用的前提。因此，提高磁性粒子在基体中的分散性和优化材料的性能是唯一的途径，而改善材料制备工艺的唯一途径就是优化材料的性能。