文摘

在本文中,一种新型的磁流变弹性体(绝笔)是由分散羰基铁粒子(CIPs)复合矩阵与顺丁橡胶(BR)和self-fabricated橡皮泥。法向力的敏感和magneto-induced特征实验研究,讨论工作机制。结果表明,法向力的压缩率和质量分数增加boron-silicon共聚物添加到复合矩阵由于越来越多的形成。这十字架债券可以阻止在BR的碳碳交联网络。与此同时,magneto-induced法向力呈正相关,应用磁场强度和压缩应变由于减少差距的中心软磁性粒子和粒子的磁化强度的增加。此外,magneto-induced法向力继续加强与压缩应变的增加,因为CIP链固定在碳碳交联网络可以弯曲的弧度和CIP链。这交联网络可能破裂形成更加稳定和密集的短链结构。此外,推导了简化模型来描述magneto-induced法向力的生成机制。此外,法向力变化稳定的振荡剪切应变(少于9%)在不同磁感应强度应用振荡剪切应变时,突然减少超过9%。

1。介绍

磁流变弹性体(绝笔)是一种智能材料分散微米大小的羰基铁粒子(CIPs)传统橡胶或热塑性矩阵一致(1- - - - - -3]。不同应用磁场强度可以控制的动态力学性能如获得绝笔的储能模量和阻尼因子(4,5]。因为展出的磁流变效应,这种智能和安全的材料可广泛应用于阻尼器(6,7),软铠甲(8),影响吸收器(9- - - - - -12),和其他应用程序,如屏蔽(13,14),力传感(15,16),和医疗系统17,18]。然而,由于磁流变效应和力学性能之间的矛盾引起的交联程度的橡胶聚合物矩阵(19),它是具有挑战性的获得绝笔样品的磁流变效应。此外,绝笔通常在剪切模式下工作;剪切行为的发生是垂直于磁感应线的方向,所以绝笔的水平剪切模量远小于垂直的模量。此外,垂直挤压变形是有限的;微小的变形可以产生一个优秀的输出强度。因此,有必要研究力学性能和磁流变效应的绝笔挤压模式。

橡皮泥是boron-silicon共聚物,可以刺激产生显著的非牛顿剪切硬化性能的行为。更多的基于橡皮泥纳米复合材料被深入研究和讨论20.- - - - - -22]。徐et al。23捏造一个软夹层结构组成的两层凯夫拉尔面对床单和橡皮泥的核心。结果显示,橡皮泥的储能模量,由分散CaCO准备3粒子polyborodimethylsiloxane,增加了两到三个数量级的增加剪切频率。CaCO越高3内容导致更好的shear-hardening行为,进一步增强了夹层结构的抗冲击性能。然而,当微米大小的羰基铁粒子(CIPs)分散成橡皮泥,获得了磁流变橡皮泥的属性(MRSP)可以self-adapt外部刺激环境的变化和由不同应用磁场强度控制24]。作为一种新型的多功能材料,近年来已引起全世界的关注。王等人。25)首先准备了一个新颖的多功能高分子复合材料(MPC)与不同的磁性粒子(CIP和铁3O4),聚二甲基硅氧烷(PDMS),硼酸,过氧化苯甲酰(BPO)。除此之外,“债券”的机制从交联剂BPO的分解和磁粉介绍了链引发的磁场来形容优秀的多功能刺激反应特性。姚明et al。(26)开发了一个新的magnet-induced调整磁流变弹性体(MIMRE)基于ultrasoft PDMS的聚合物基体复合,硼酸,氯仿获取优秀的磁流变效应和愈合性能。Golinelli et al。27]研究了磁性橡皮泥第一的行为准静态压缩和剪切载荷作用下动态剪切加载下和第二;结果突显出强烈依赖变形率的影响磁场弱。然而,除了应用单一boron-silicon矩阵,王(28]的一种新型磁流变shear-stiffening弹性体(MSTE)分散CIPs shear-stiffening弹性体,由共聚合成shear-stiffening凝胶(STG)和甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)。结果表明,STG的内容可以调整磁场可控性和shear-stiffening MSTE的性能。

此外,多功能特性的影响因素和机制MRSP最近也进行了广泛的探讨。首先,敏感的特性主要是由这“十字债券的数量。“刘et al。29日)准备多功能磁流变凝胶(MMRG)和样品质量比焦硼酸的PDMS不同从0到0.6。结果表明,剪切硬化性能的数量呈正相关,“交叉债券,当分子链含有Si-O和Si-O-B的数字是亲密(焦硼酸的质量比PDMS达到0.3),大量的“交叉债券”形成导致剪切硬化性能好。此外,固化过程,包括温度和时间,被认为是重要的因素影响剪切硬化性能(30.]。在这项研究中,120°C的固化温度和固化时间30分钟被选来获取最佳的剪力补强性能。此外,CaCo等添加剂3(31日),石墨烯(32,碳纳米管(33,34)投资在促进敏感的特点。同时,MRSP的磁流变效应引发的外部强加的磁场通常是受到粒子的磁饱和的影响,磁粒子大小和分散,矩阵性质,类似其他磁流变材料和添加剂(35- - - - - -39]。链或列结构形成的机制40- - - - - -43]磁性粒子沿着磁感应线通常是用来描述磁流变效应。

因此,在这项工作中,一个新颖的绝笔准备通过向BR矩阵分散CIPs的self-fabricated橡皮泥。流变仪测试系统研究了法向力的特征合成新型复合绝笔。测试结果表明,发达小说绝笔展出优秀的磁流变效应和挤压rate-dependent表现模式。此外,橡皮泥的内容发挥了关键作用在改善轴向变形能力小说的绝笔。

2。实验方法

2.1。材料

PDMS、硼酸和无水乙醇,从化学试剂国药控股有限公司购买,上海,中国,也应用于制作橡皮泥silicon-boron共聚物。顺丁橡胶(BR)硫化体系,包括交联剂过氧化苯甲酰(BPO)、氧化锌(氧化锌),硬脂酸(SA)和催化剂,从化学试剂国药控股有限公司购买,上海,中国,被应用于合成复合矩阵与橡皮泥的绝笔。CIPs不同平均粒径为3.15,3.5和3.65μm是购自江苏天翼超细金属粉末有限公司、中国Xuyi。邻苯二甲酸二辛酯(计划),购自国药控股化学试剂有限公司,上海,中国,是用作增塑剂。所有的材料都是分析纯和多功能属性被MCR302流变仪测试(Anton洼地有限公司、奥地利)。

3000年代垫软磁性直流测试装置被用来描述CIPs的软磁性。的b - h磁化曲线不同的平均粒子尺寸显示在图中1。结果表明,CIP与平均粒径为3.5μm展览最佳的软磁性能,提出了降低矫顽力Hc(只有93.61 A / m和测试磁场强度在20000 / m)和类似的磁化CIP平均大小为3.65μm。因此,在这个工作中,CIP与平均粒径为3.5μ米被选为小说的填充粒子绝笔样本获取明显magneto-induced财产和减少剩磁的影响。选定的CIP的性能指标如表所示1。


图1
测试b - hCIPs曲线不同的平均粒径。
表1
CIP的主要性能指标。
2.2。小说的绝笔样品准备和属性

准备的过程小说绝笔示例如图2。第一次加热过程导致橡皮泥的形成以及silicon-boron共聚物。第二步生成的复合矩阵混合BR和橡皮泥。最后一步形成硫化后的小说绝笔样本的过程。具体制备步骤如下:(1)首先,一定量的PDMS的混合物,硼酸和无水乙醇在室温下在一个烧杯搅拌直到均匀。然后,混合物在200°C加热4小时,每15分钟保持搅拌反应足够了。在这个过程中,Si-O债券被打破,Si-O-B债券成立。boron-silicon共聚物得到粘性混合物冷却至室温后。(2)接下来,boron-silicon共聚物混合了BR两辊轧机(南通Hailite橡胶机械有限公司、中国;在室温下模型xk - 160)。添加剂如氧化锌、SA、触媒,CIPs,依次添加交联剂BPO在机械搅拌的方法。此外,增塑剂计划批量添加改善复合矩阵可塑性。(3)最后,复合硫化在120°C的20分钟热磁耦合系统(tmc)形成了小说绝笔样本。励磁线圈的差旅管理公司组成,温度控制器(TC),外部电源,加热板,和一个继电器。混合生绝笔样品的模具放在加热板是治愈形成之间的小说绝笔磁感应线生成的两个励磁线圈,当外部电流输入。先前的研究表明,prestructured绝笔表现出各向异性特征和更优秀的磁流变效应(44)由于越来越多的粒子链和列矩阵在应用中形成磁场。在固化过程中,磁感应强度是恒定在1 T。绝笔样本准备当产品冷却到室温。


图2
这部小说绝笔样品的制备过程。

在制备过程中,CIPs的数量添加到小说绝笔是静止的。在磁饱和之前,质量比越高的CIPs矩阵,磁流变效应越明显,更敏感的材料是一个磁场。然而,过度的CIPs绝笔的初始模量将会增加,从而减少相对磁流变效应和磁场引发的监管范围。因此,在这项工作中,CIPs的质量分数仍为75%。四组的绝笔样品制作,绝笔的四组样品的成分表中列出2。根据配比原则的传统橡胶过程中,设置为100 phr复合矩阵。橡皮泥到复合矩阵的百分比从MRE-1 MRE-4是0%,10%,25%,和40%的序列,分别。因此,MRE-1是基于纯BR矩阵。此外,boron-silicon共聚物,PDMS的质量分数,硼酸,和无水乙醇为80%,15%,和5%,分别。

表2
复合绝笔样本的构成(phr)。

在这部作品中,日立S4800使用扫描电子显微镜(SEM)观察样品内部微结构的绝笔。SEM照片显示在数字3(一个)和3 (b)。它可以从图中获得3(一个)CIPs是均匀分散在复合矩阵约,和绝笔样本呈现各向同性特性prestructured磁场处于关闭状态。然而,当prestructured磁场在固化过程中处于开放状态,命令链的CIPs排列结构以及磁感应线和绝笔样本各向异性特性图3 (b)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
准备绝笔示例和SEM图像的内部微观结构:(a) prestructured磁场处于关闭状态,(b) prestructured磁场处于开放状态。

小说绝笔的法向力特征样本进行MCR302流变仪。在测试过程中,一个平行板PP20使用直径20毫米。这部小说绝笔上部和下部之间的样本放在盘子。在这个工作中,每个小说绝笔的法向力在准静态压缩试验获得的样本模式没有磁场,磁场准静态压缩模式,动态振荡剪切模式。的流变性质捏造boron-silicon共聚物显示在图中4。橡皮泥制作的展品明显敏感性能。当外部rate-stimuli变化从0到100 rad / s, boron-silicon共聚物的储能模量生成三个数量级的提高。


图4
的流变性质捏造boron-silicon共聚物。

3所示。结果与讨论

3.1。法向力在准静态压缩模式没有磁场

没有外部磁场条件下和一个常数压缩率,小说的法向力绝笔样品流变仪板能被探测到。至于小说的虚构的四组绝笔MRE-1 MRE-4,样本图5显示了法向力之间的关系FN和差距h平行板的压缩率为100μm / s。是表明,法向力的绝笔样品可以达到极限(50 N)的流变仪的样品被压缩到一个特定的状态。此外,silicon-boron共聚物的质量分数增加矩阵中逐渐增加,压缩变形逐渐增加小说的绝笔样本当它达到测量上限50 N。例如,压缩变形MRE-1没有添加silicon-boron共聚物只有0.912毫米的测量法向力限制50 N。然而,MRE-2的压缩变形与添加10% silicon-boron共聚物是1.022毫米,而压缩变形的MRE-4外加silicon-boron共聚物超过1.4毫米。因为纯BR的模量矩阵的模量高于silicon-boron共聚物。当silicon-boron共聚物的含量复合矩阵是增强的,小说的整体模量绝笔会减少。因此,这取决于更重要的压缩变形达到相同的法向力。此外,每次压缩变形后,这部小说绝笔样品一般可以恢复到初始变形状态。因此,与传统的MRE-1相比,它可以提高轴向变形能力小说的绝笔样品通过调整内容的silicon-boron共聚物复合矩阵。


图5
小说的法向力绝笔样本的函数的差距。

数据6(一)和6 (b)法向力之间的关系,平行板在不同压缩率的差距MRE-1 MRE-4,分别。压缩率100、200、300和400μ在序列分别应用m / s,压缩starting-ending位置的范围是相同的。它可以看到从图6(一)MRE-1几乎一致的法向力曲线在不同的压缩率。此外,基于纯BR矩阵MRE-1展览没有突出敏感的特性,因为橡胶模量只出现弱变化趋势在一个广泛的施加速度或频率范围。从图6 (b)MRE-4展品突出敏感的房产,获得正常的力量,增加应用的压缩率。当压缩变形0.46毫米和压缩率是100μm / s, MRE-4只有12.7 N的法向力。然而,当压缩率达到400μm / s, MRE-4可以实现19.1 N的法向力,这就增加了6.4 N的依赖性。而压缩变形增加到0.9毫米和压缩率是100μm / s, MRE-4只是24.3 N的法向力。随着压缩率的增加到400人μm / s, MRE-4可以实现36.5 N的法向力,从而增加独立开展12.2 N。因此,这部小说MRE-4样本的silicon-boron共聚物表现出更明显的rate-dependent法向力的性能更可观的压缩变形。总的来说,小说的敏感的房产绝笔也可以反映在垂直法向力,不仅在横向剪切性能基于流变仪测试系统。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
小说的法向力绝笔样本的函数的差距:MRE-1 (a)和(b) MRE-4。

从工作机制,PDMS链结构有不同的聚合度。当PDMS与硼酸反应,Si-O债券休息,和硼原子(B)同时引入链形成silicon-boron共聚物Si-O-B债券。PDMS的分子结构和B链掺杂原子,可以假设三种形式25,45)如图7(一)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图7
(一)三种可能的结构形式的分子链掺杂原子B和(B)机制来描述交联键的形成。

缺电子的pB原子的轨道获得电子从原子O Si-O债券(46)后形成了silicon-boron共聚物。因此,从图7 (b)Si-O-B债券的,原子B silicon-boron共聚物的链结构和原子O Si-O债券的PDMS链结构的形成做出贡献。这交联键一起刺激敏感的性能。换句话说,交联键可以被描述为一个轻微的阻尼器,包括一对活塞和气缸能够发挥重要作用在输出力速度不同的刺激。

此外,基于纯BR绝笔样本矩阵,制定碳碳交联键可以通过添加交联剂BPO,见图8。CIPs的链结构固定在碳碳交叉形成的交联网络的债券。然而,当silicon-boron共聚物被添加到BR矩阵,这十字架债券将阻塞在BR的交联网络47)由于巨大的碳碳键的能量在立方体单元展出。至于这十字键,B和O来自silicon-boron共聚物;因此,silicon-boron共聚物的百分比决定。这十字架债券的数量。从图8,当silicon-boron共聚物的比例逐渐增加,这十字架债券的数量将提高依赖性,表现出更明显的宏观上敏感的特征。此外,当应用压缩率越低,更多的“活塞”从原子原子O和“气缸”B是活动涉及少量的自由。这“阻尼器连接。“因此,链的运动是相对自由流动。当压缩率增加,越来越多的“活塞”和“气缸”吸引连接”阻尼器”,产生更多。这十字架债券。此外,链的运动与Si-O-Si债券和Si-O-B债券将限制由于这逐渐形成交联网络。因此,轴向模量和法向力将改善应用的压缩率。


图8
敏感的特征和机制的分子链模型当silicon-boron共聚物百分比增加。
3.2。法向力在准静态压缩模式与磁场

当外部磁场和一个常数压缩率,小说的法向力绝笔样品流变仪板可以通过调节磁场强度检测到。法向力的变化与外部磁场强度是一个重要的指标,小说的磁流变效应绝笔样本。

图9揭示了法向力之间的关系和MRE-1的磁感应强度和MRE-4。压缩应变为10%,20%,30%,40%,和50%,磁感应强度从0到1.13 T不断变化。它可以得出结论,每个曲线的法向力与磁感应强度增大,逐渐增加,当磁感应强度达到0.9 T,法向力由于磁饱和度逐渐趋于稳定。除此之外,与传统MRE-1相比没有的橡皮泥,MRE-4的整体法向力在每个压缩应变较低。然而,法向力的可调节范围比MRE-1由于MRE-4更全面更MRE-1的初始法向力。例如,当压缩应变为30%和磁感应强度变化从0到1.13 T, MRE-4的法向力可以改变从14.2到18.9 N,相对率是33%,大于21%的MRE-1。因此,它是显式的橡皮泥可以改善与磁场的法向力的可调范围为绝笔样本。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
法向力的函数磁感应强度在不同压缩特性:MRE-1 (a)和(b) MRE-4。

图10显示了Δmagneto-induced正常力之间的关系FN在不同磁感应强度和压缩应变MRE-4。很明显,在相同的压缩应变条件下,magneto-induced法向力随磁感应强度和倾向于磁饱和磁感应强度达到0.997吨。同时,magneto-induced法向力和压缩应变之间的变化趋势在不同磁感应强度是相同的。压缩应变小于20%时,magneto-induced法向力在不同磁感应强度几乎不变。此外,压缩应变大于20%时,magneto-induced法向力在不同磁感应强度增加而增加的压缩应变。此外,当磁感应强度达到1.03 T和压缩应变为10%,最大magneto-induced法向力磁饱和3.8 N。相比之下,最大magneto-induced法向力的压缩应变50%显著大于5 N。


图10
magneto-induced正常力为MRE-4压缩应变的函数。

类似于剪切应力的绝笔,法向力来源于复合矩阵和软磁性粒子之间的相互作用,可以表示为ΔFN。饱和磁化强度明显的软磁性粒子的性质。因此,当磁感应强度逐渐增加,软磁性颗粒磁化,直到他们达到饱和。由于明显的磁化过程的非线性性质,小说绝笔magneto-induced法向力的样品表现出明显的非线性特征。

magneto-induced机制可以在图进行描述11。prestructured绝笔样本,CIPs被安排在链结构在磁感应线固定在复合矩阵与BR和橡皮泥。当外部压力F应用,复合矩阵可以被压缩变形。与此同时,差距d中心之间的粒子将减少,直到相邻粒子接触。然而,当粒子的压缩变形继续增加固定BR交联网络中,粒子链可能会弯曲弧度由于压缩力f。橡皮泥的粒子,粒子长链可能更容易破裂,形成密集的和稳定的粒子链短,可以产生更明显的magneto-induced法向力。


图11
小说的magneto-induced机制绝笔当压缩应用。

过程中粒子减少差距,一个简化的基于磁偶极子模型和耦合场理论可以得出一个结论描述magneto-inducedΔ正常的力量FN。在这个模型中,CIPs是球体半径相同的简化r。对于一个偶极子我在一个链,它的磁偶极矩可以表示如下(48]: 真空磁导率的μ0= 4π 10−7,μ1复合矩阵的相对渗透率,χ磁化率,米是软磁性粒子的磁化强度,可以达到磁饱和米年代在非线性磁化。

粒子的磁场强度我可以表示如下(49]:

在哪里 是外部的磁场强度, 的单位向量是吗 ,和dj=jd。代入方程(1)(2) 在假设 ;当n足够大, 。

此外,压缩应变可以表示如下: 在哪里d0是初始相邻颗粒之间的距离。因为软磁性粒子的刚度远远大于复合矩阵,粒子的变形可以忽略。假设米我=米j=米根据方程(3),

软磁性粒子之间的磁相互作用能我和其他软磁性粒子在同一链

因此,小说的磁相互作用能单位体积绝笔可以表示如下: 在哪里ϕ是CIPs的体积分数。

因此,magneto-induced法向应力可以表示如下:

magneto-induced正常力可以表示为正常压力和横截面积的乘积年代如下:

当软磁性粒子达到磁饱和米年代根据方程(6)- (9),小说的最大magneto-induced正常力绝笔基于复合矩阵可以得到如下:

从方程(10),magneto-induced机制可以得出结论,magneto-induced法向力的距离时将增强d中心之间的软磁性粒子减少与增加压缩应变。此外,magneto-induced法向力还将加强与外部应用到粒子的磁饱和磁场强度。

3.3。法向力在动态振荡剪切模式

CIPs固定在矩阵之间的磁相互作用生成的来源magneto-induced剪应力和magneto-induced法向力。先前的研究结果表明,剪切变形过程中,压缩方向的弹性模量和转矩应用于粒子链是两个重要影响因素绝笔的法向力50,51]。此外,法向力的变化趋势所造成的两个影响因素是相反的(52,53]。在低磁场条件下,压缩方向的弹性模量的影响明显大于扭矩应用于粒子链,因此,法向力随剪切应变的增加而减小。然而,转矩应用到粒子链逐渐增加外部磁场的增强。同时,增强引起的法向力的增加转矩比的减少造成的法向力减少抗压弹性模量的方向。所以正常的力逐渐增加而增强的剪切应变高磁场的条件。

图12介绍了关系的法向力和振荡剪切应变MRE-4在不同磁感应强度的角频率10 rad / s。法向力是稳定在不同磁感应强度的振荡剪切应变小于9%。然而,当振荡剪切应变超过9%,法向力大幅减少不管磁感应强度。大多数粒子链绝笔突然破裂,可取而代之的是粒子链的失败,更有可能发生在振荡剪切模式。此外,法向力与增强进一步减少振荡剪切应变由于连续粒子链结构的断裂。


图12
法向力的MRE-4振荡剪切模式。

4所示。结论

基于复合矩阵小说绝笔加剧了BR和self-fabricated橡皮泥。绝笔样本在准静态压缩模式的法向力没有磁场,磁场准静态压缩模式,动态振荡剪切模式下进行了测试。(1)这部小说绝笔样本的橡皮泥比传统MRE-1表现出更大的轴向变形的能力。它可以提高小说绝笔样品的轴向变形能力通过调整silicon-boron共聚物复合矩阵的内容。此外,法向力变化稳定的振荡剪切应变(少于9%)在不同磁感应强度应用振荡剪切应变时,突然减少超过9%。(2)虚构的小说MRE-4展出著名的敏感特征,表明法向力FN比传统MRE-1提高压缩率的增加。这十字债券是制定和碳碳交联网络的阻塞BR的silicon-boron共聚物。越来越多。这十字架债券允许线性分子链形成。这交联网络结构,限制了分子链的运动,包括Si-O和Si-O-B债券,导致增加法向力的压缩率和silicon-boron共聚物添加质量分数的增加。(3)此外,与传统MRE-1相比,添加橡皮泥小说绝笔样本可以改善的可调范围与应用磁场法向力。Δmagneto-induced正常的力量FN获得和增加直到磁饱和磁感应强度。由于prestructured CIP链固定在复合矩阵,magneto-induced正常力得到了应用外部磁场下。的差距d中心之间的软磁性粒子与压缩变形降低,导致magneto-induced正常力略有增加。此外,当压缩变形持续增加,CIP链固定在碳碳交联网络可能弯曲弧度,和CIP链。这交联网络倾向于破裂形成粒子更密集的和稳定的短链;因此,magneto-induced法向力增加。除此之外,一个简化的模型推导出描述magneto-induced机制过程中粒子差距减少。此外,外部磁场强度、缺口d软磁性粒子的中心之间,磁饱和米年代关键的影响因素是magneto-induced法向力Δ吗FN。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是博士科研启动基金(批准号安徽理工大学S022020069),安徽理工大学的主要研究基金会(批准号KZ42020240)和江苏省重点研发项目(批准号BE2017167)。