弹性胶泥的新型高性能可压缩磁流变液研究

　　1948 年 Rabinow 首先提出磁流变液(MRF), 而真正受到足够重视始于1990年代。磁流变液作为一种智能材料, 在外加磁场中可在毫秒级内改变其内微米级分散相(如羰基铁粉)的空间排列, 使其由零场下的牛顿流体变成半固态的塑性体, 亦使其表观粘度等流变参量发生连续无级的可逆变化。磁流变液的这种优良特使其广泛应用于汽车半主动悬架、抗地震结构、光学镜面抛光以及智能离合器等等领域。磁流变液的沉降问题是限制其大规模实用的主要因素之一。使用新型载体材料是解决该问题的一种有效途径, 因而出现了 MR Grease、MR Polymer Gel(或 MR Gel)、磁敏橡胶、High Viscosity MRF等新型磁流变材料。此外, Fuchs等还研究了可压缩磁流变液(CMRF)。这些工作使材料的沉降问题有所改善(即沉降速率有所降低), 却又产生了磁流变效应下降、温度稳定性降低等问题。
　　本文尝试将高粘度线性聚硅氧烷作为磁流变液的载体液, 研制一种新型的磁流变材料磁流变弹性胶泥(MREC), 希望其不仅能充分吸收二者的优点, 还能避免各自不足。如弹性胶泥载体液的较高粘度及特殊分子结构能解决磁流变液的沉降问题, 并提高磁场失效等非常情况下的工作可靠性, 而磁流变液的智能可控特性则赋予其大范围内的流变可控性, 不需要弹性胶泥精准地满足某项特定场合下所需求的粘度(或聚合度)。此外, 弹性胶泥的可压缩性也仍将体现在磁流变弹性胶泥上, 使之可应用于自带储能功能的减振器领域。事实上, 已有磁流变液材料(如MR Polymer Gel 等)采用非线性或低粘度的聚硅氧烷, 而没有采用线性或高粘度的弹性胶泥, 以致没有获得磁流变弹性胶泥所具有的这些优秀性能。磁流变弹性胶泥具有的高零场粘度, 致使其响应高频激励的效果较差, 因而其潜在应用领域将针对振动频率较低的重型设备。本文合成弹性胶泥、制备磁流变弹性胶泥、表征样品的结构和性能, 并研究弹性胶泥的特殊螺旋分子结构对其性能的影响。
　　1 实验方法
　　1.1 样品的制备
　　制备了3种弹性胶泥样品和基于该3种弹性胶泥的磁流变弹性胶泥样品。3种弹性胶泥样品的粘度分别为200, 500和800 Pas。基于每种粘度的磁流变弹性胶泥样品都包含有4种质量分数的羰基铁粉, 即0%, 20%, 40%, 60%。
　　1.2 性能测试
　　用Nicolet iS1 (Thermo Scientific)全反射傅立叶变换红外光谱分析设备检测粘度为200 Pas弹性胶泥样品,测其成分构成,光谱检测范围为4000~500 cm-1。用 VHX-600E (Keyence)光学数字显微镜对 200-20% 和 200-60%两种磁流变弹性胶泥样品进行微米级观测, 放大倍数设置为1000倍。所有的磁流变弹性胶泥样品被静置在室温下 30 d, 在每天固定时刻对其进行照片记录, 以观察沉降性变化(本文中取弹性胶泥载体液粘度最小的200-40%样品示例)。
　　2.1 红外光谱分析
　　用全反射傅立叶红外光谱法检测弹性胶泥样品200-0%的成分, 结果如图 3 所示。图谱中波峰值1259.30 和 793.91 cm-1分别表示甲基硅氧链接伸缩与甲基硅氧链接弯曲振动带, 1015.04与2962.63 cm-1分别对应硅氧烷Si-O-Si链接和甲基C-H链接。由图3可知, 该弹性胶泥样品在 1015~1084 cm- 1有着很宽的谱带, 在 793, 1259 和 2962 cm- 1上有很强的尖峰。该图谱与弹性胶泥的红外光谱标准图谱相符合, 说明已成功合成出弹性胶泥。
　　2.2 抗沉降性能
　　磁流变弹性胶泥样品200-40%的沉降实验观测结果, 可见没有发生明显的沉降现象。该弹性胶泥载体液的不透明性并不影响直接用肉眼来定性观测磁流变弹性胶泥的沉降性能, 因为在本研究前期的实验中使用较低粘度(50 Pas)的弹性胶泥载体液时发生了明显的分层现象(红色与灰色分层)。
　　2.3 可压缩性能
　　压缩性实验结果中可观察到, 弹性胶泥与磁流变弹性胶泥随压强增长时, 其体积压缩率都得到较快增长。在141.5 MPa时500-0% (即弹性胶泥)的体积压缩率达到21.15 %, 500-20%的体积压缩率达到20.51%。两者之间的体积压缩率存在0.64%的微小差别, 是样品500-20%中20%羰基铁粉含量造成的(固体颗粒压缩性忽略不计)。然而该差值非常小, 可见加入适量的铁粉含量对弹性胶泥的压缩性能影响很小, 这有利于在智能液体弹簧应用中同时利用磁流变弹性胶泥的可控性与体积压缩特性。值得说明的是, 相比传统可压缩磁流变液(如文献[15]), 其体积压缩率绝大部分由添加的可压缩微球贡献, 而磁流变弹性胶泥实现此压缩率并没有使用任何可压缩添加剂。
　　3 结 论
　　合成的三种粘度的弹性胶泥和相应的磁流变弹性胶泥样品, 其傅立叶变换红外光谱与(铁道部运输局的)相关标准符合。样品在 30 d 内没有发生沉降。根据弹性胶泥的特殊微观结构分析了其抗沉降机理。磁流变弹性胶泥表现出优异的流变性能, 其流变曲线基本符合宾汉模型。发现一种V形槽磁流变效应, 该效应受到磁场和铁粉质量分数的约束作用。磁流变弹性胶泥表现出较高的可压缩性, 加入适量的铁粉含量对其压缩性能的影响很小。