磁流变弹性体的性能研究

王 静，MUHAMMAD Wasim Asim，危银涛

（清华大学 车辆与运载学院，北京 100084）

近年来，随着社会的快速发展，人们的生活方式发生了很大的变化，对新技术、新智能材料的需求越来越大，智能材料成为科学研究的热点之一。磁流变材料作为智能材料在当今世界工业中具有巨大的应用潜力。根据外部磁场的不同，它们表现出不同的流变性能和粘弹性，如剪切应力、屈服应力、动态模量和阻尼特性。随着磁感应强度的变化，磁通密度也发生变化。在某些应用中，磁流变材料的剪切应力、温度和化学成分等会随着环境而改变，因此很难控制磁流变材料的这些特性[1-5]。

磁流变材料在汽车、医疗、印刷等领域有着广泛的应用[7-10]。根据应用场合的不同，磁流变材料有不同的种类，如磁流变液（MRF）、磁流变凝胶、磁流变泡沫和磁流变弹性体（MRE）[6]。MRE是一种固体软质材料，克服了MRF存在的泄漏及沉降问题[11-14]，并避免了因沉积导致的磁流变效应的降低。

本工作以天然橡胶（NR）为基体制备MRE，研究MRE的Payne效应[15-16]及磁感应强度和磁流变效应。

1 实验

1.1 主要原材料

NR，1#烟胶片，泰国产品；羰基铁粉（铁磁性粒子），江西悦安超细金属有限公司产品；氧化锌，分析纯，山东阳谷华泰化工股份有限公司产品；防老剂4020和促进剂CBS，山东尚舜化工有限公司产品。

1.2 试验配方

试验配方（用量/份）为：NR 100，羰基铁粉变量（见表1），炭黑N660 10，氧化锌 2.5，硬脂酸 2，防老剂4020 4，硫黄 2，促进剂CBS 0.7。

表1 羰基铁粉用量及其对应的质量分数Tab.1 Amounts of carbonyl iron powder and its corresponding mass fractions

1.3 主要设备和仪器

BB-1600IM型密炼机和BL-6175-AL型开炼机，宝轮精密检测仪器有限公司产品；XLB-D型平板硫化机，湖州东方机械有限公司产品；PREMIER MV型无转子硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；QUANTA 200FEG型扫描电子显微镜（SEM），荷兰FEI公司产品；MCR702型流变仪，奥地利安东帕公司产品。

1.4 试样制备

胶料分两段混炼，一段混炼在密炼机中进行，转子转速为90 r·min-1，混炼工艺为：NR、羰基铁粉和小料→压压砣混炼25 s→提压砣加炭黑→压压砣→提压砣混炼至130 ℃→压压砣→提压砣混炼至135 ℃→压压砣混炼至150 ℃→排胶。二段混炼在开炼机上进行，包辊后左右割刀1次，加硫黄和促进剂，待吃料完全后左右割刀3次，减小辊距，打三角包5次，调大辊距，胶料包辊、表面光滑并无气泡后下片。

胶料在平板硫化机上硫化，硫化条件为160℃×10 min。

1.5 测试分析

采用SEM对试样断面形貌进行观察，断面经过喷金处理；采用流变仪进行应变扫描，圆形试样的直径为25 mm、厚度为2 mm，测试条件为：应变范围 0.1%～10%，频率 5 Hz，温度 25 ℃，磁感应强度分别为0，110，220，330和440 mT。

2 结果与讨论

2.1 SEM分析

不同羰基铁粉质量分数的MRE的SEM照片如图1所示。

图1 不同羰基铁粉质量分数的MRE的SEM照片Fig.1 SEM photos of MRE with different carbonyl iron powder mass fractions

从图1可以看出，由于制备的NR基MRE是各向同性的，羰基铁粉随机分布在NR基体中。羰基铁粉质量分数最大的MRE在同一区域内羰基铁粉最多，分布最密集，出现团聚现象，这对MRE的磁流变效应和耐疲劳性能会有不良影响。

2.2 Payne效应

不同羰基铁粉质量分数的MRE的储能模量（G′）与应变（ε）的关系曲线如图2所示。

图2 不同羰基铁粉质量分数的MRE的G′-lg ε曲线Fig.2 G′-lg ε curves of MRE with different carbonyl iron powder mass fractions

从图2可以看出，在低应变下，随着羰基铁粉质量分数的增大，MRE的G′增大，且随着应变的增大，羰基铁粉质量分数较大的MRE的G′下降较快。通常情况下，用低应变（最小应变）与高应变（最大应变）下的G′差值（ΔG′）来表征胶料的Payne效应[11]。

A—D配方的MRE的ΔG′分别为0.294，0.601，0.868和1.628 MPa。可见，随着羰基铁粉质量分数的增大，MRE的ΔG′增大，Payne效应增强，说明随着羰基铁粉质量分数的增大，胶料的混炼越来越困难，羰基铁粉的分散性变差，羰基铁粉出现团聚现象，这与SEM分析结果一致。

2.3 磁感应强度对磁流变效应的影响

磁感应强度对MRE的磁流变效应的影响如图3和表2所示。

图3 磁感应强度对MRE的G′的影响Fig.3 Effect of magnetic induction intensities on G′ of MRE

表2 不同羰基铁粉质量分数的MRE的磁流变效应Tab.2 Magnetorheological effects of MRE with different carbonyl iron powder mass fractions

从图3可以看出：当磁感应强度为440 mT时，D配方的MRE的G′最大；随着应变的增大，MRE的G′呈线性减小趋势。

从表2可以看出：随着羰基铁粉质量分数的增大，MRE的磁流变效应逐渐增强；当羰基铁粉质量分数为81.67%时，MRE的磁流变效应急剧增强。

磁感应强度对MRE损耗因子（tanδ）的影响如图4所示。

图4 磁感应强度对MRE的tan δ的影响Fig.4 Effect of magnetic induction intensities on tan δ of MRE

从图4可以看出：随着应变的增大，MRE的tanδ增大；随着磁感应强度的增大，MRE的tanδ呈先增大后减小的趋势，这可能是由于磁感应强度增大，羰基铁粉趋向各向排列，MRE的门尼粘度增大，增稠作用明显，流动性变差，tanδ增大，但是当磁感应强度增大到一定程度后，以偶极子为基础的羰基铁粉粒子间的相互作用增强，羰基铁粉快速朝着同一方向排列，MRE的弹性占主导，tanδ减小。

3 结论

以NR为基体制备MRE，并采用SEM和流变仪对其性能进行研究。SEM分析得出，对于羰基铁粉质量分数最大（81.67%）的MRE，羰基铁粉分布最密集，出现羰基铁粉团聚现象。流变仪测试结果表明：随着羰基铁粉质量分数的增大，MRE的Payne效应和磁流变效应增强；随着应变的增大，MRE的G′减小，tanδ增大；在试验的应变范围内，所有MRE都显示出良好的粘弹性。