新型磁流变胶的研制及其力学性能研究

磁流变材料是由软磁颗粒和非磁性基体（包括液态的硅油及固态的聚合物等）复合而成，其模量和阻尼等力学性能会随外加磁场强度变化，从而在工程上有重大应用前途。由于磁流变液稳定性较差，而磁流变弹性体的磁流变效应比较小，因此具有高磁流变效应和高稳定性的新型磁流变胶材料成为一个新的研究重点。.我们已经在国内率先开展了磁流变胶的一些研究。本项目是在已有的预研基础上，以无溶剂高分子胶作为基体，研制实用的高性能新型磁流变胶，建立这种新型材料的优化设计方法，进一步从理论和实验两方面研究磁流变胶这种新型智能材料在力磁耦合下的力学行为，分析力学性能与内在微观结构的关系，探索高磁流变效应机理的本质，建立能正确描述其力学行为的力磁耦合非线性模型，为这种新型智能材料的发展及其在工程实际中的应用提供理论和实验依据。

本项目以新型磁流变胶的研制及力学性能优化为目标，在材料的制备工艺、性能检测和机理分析等方面展开了系统研究，经过3年的努力，取得一系列研究成果。首先，通过实验设计，优化反应条件，筛选出合适结构的磁性粒子，利用高分子原位聚合原理，考虑颗粒与基体的亲合能力，选取最优制备方案，研制出新型高性能磁流变胶材料。围绕微结构-力学性能之间的相互关系，系统分析了磁流变胶在磁-力耦合场作用下的材料特性。其中，着重研究了该材料在静态、动态、振荡剪切/拉伸/压缩条件下的力学性能与外场的相互关系，给出了切向、法向力学特性及蠕变性能。提出了磁性颗粒场响应结构聚集机理，研究了微观结构变化对材料磁流变性能的影响，分析了阻抗性能与微观结构的相互联系，给出了一种等效方法来定量地表征磁性颗粒在胶材料中的排布状态，关联了磁流变胶的力学性能与导电特性。在修正传统的磁偶极子模型的基础上，给出了颗粒与颗粒、颗粒与基体相互作用的力学模型，并建立了适用于磁流变胶材料在颗粒水平上的动力学模拟方法。基于此模型，计算得到了颗粒聚集结构随时间由初始随机分布状态逐渐形成链簇结构的过程，给出了磁致应力失稳现象的定性解释。针对材料的大变形能力，基于修正的宾汉姆模型，描述了材料内部颗粒聚集微结构随剪切应力波动增大而经历复杂的磁-力耦合过程，理论和实验数据得到了很好的统一。为了进一步建立磁流变胶高磁流变效应的理论模型，研究了复杂条件下磁流变体系与磁场相互作用原理。项目执行期间，发表了SCI收录国际刊物论文28篇，申请中国专利1项。研究成果远远超过了申请时的预期。